摘要：经过前期的发展，功能性水凝胶材料已经广泛用于药物传输、软体机器人、可植入器官、传感器等生物医学及工程领域，但水凝胶在腐蚀防护领域的应用才刚起步。功能性水凝胶由于具有良好的防污性、耐磨性和自修复性能等，可用于海洋防污涂层、机械皮肤等领域。而且功能性水凝胶具有刺激

3 水凝胶材料在防腐领域的应用

经过前期的发展，功能性水凝胶材料已经广泛用于药物传输、软体机器人、可植入器官、传感器等生物医学及工程领域，但水凝胶在腐蚀防护领域的应用才刚起步。功能性水凝胶由于具有良好的防污性、耐磨性和自修复性能等，可用于海洋防污涂层、机械皮肤等领域。而且功能性水凝胶具有刺激响应性，可负载缓蚀剂，制备出对环境响应的固体缓蚀剂用于腐蚀防护领域。

3.1 腐蚀防护涂层

水凝胶能够用于制备有特殊作用的腐蚀防护涂层。例如，医用器械和海洋船舶表面由于油污或有机物的附着会使得微生物聚集，形成微生物黏膜，进而产生微生物腐蚀。而水凝胶由于具有良好的亲水疏油性，能够有效减少油污的附着，可减少微生物对金属的腐蚀。因此能够利用功能性水凝胶的亲水疏油性、低摩擦性和自修复性，制备抑制微生物腐蚀的水凝胶涂层，用于医疗器械、海洋设备的防污-防腐蚀等。

Takahashi 等[68]报道了一种简单而通用的方法，用于在包括各种材料和几何结构在内的各种固体表面上涂覆坚韧的双网络（Double-Net，DN）水凝胶。双网络凝胶涂层工艺包括两个步骤，见图 6。首先，对基体表面进行处理，以形成含有自由基引发剂的聚醋酸乙烯酯（PVAc）底漆层，其中基体可为塑料、橡胶、陶瓷和金属等。然后将预制丙烯酰胺溶液涂覆在处理过的表面上，然后在紫外光照下进行聚合，得到凝胶涂层表面具有低摩擦性能和高耐磨性。对于具有复杂几何形状的表面，也能形成良好的抗污凝胶涂层。也有学者将具有氢键的水凝胶良好地黏附在不同基体上，基体可为玻璃、金属甚至皮肤等[69]。

Yao 等[70]首先将丙烯酰胺单体与偶联剂在水相中通过自由基共聚形成聚合物树脂主体，同时共聚物硅烷组分上的烷氧基水解形成反应性功能端——硅烷醇基；基底采用氧气等离子体处理后，涂覆水凝胶涂料，进入固化阶段——共聚物树脂链结构上的硅烷醇基缩水交联形成交联网络结构或与基底表面羟基脱水成键实现与基底交联黏附。经过配方优化，该水凝胶涂料基底黏附强度可达 900 J/m2。此外，类似传统涂料，该水凝胶涂料也可呈粉末干态长时间储存，进一步提升其可运输性及应用简便性。水凝胶涂料制备与涂覆见图 7。

水凝胶材料也可应用在机械皮肤领域，如将水凝胶涂覆在金属、塑料和橡胶器械上，涂层具有柔软、光滑的表面，可以大幅减缓磨损程度。缓蚀剂也可被负载在水凝胶中，并控制其释放速度，降低器械的腐蚀程度[71]。此外水凝胶涂层也可和多孔金属基底组成新型超亲水膜，。其可以选择性地将油/水混合物中的水分离出来，其效率可达 99%，对油气田设备的腐蚀防护有着重要意义。在分离过程中，油分不会污染膜， 更加有利于油分和膜材料的回收利用[72] 。

目前水凝胶防腐涂层已有初步发展，王鑫等[73]以过硫酸钾为氧化还原引发剂，以四甲基乙二胺为促 凝剂，将 N,N-二甲基丙烯酰胺和纳米硅颗粒聚合， 制备出了一种具有自修复性能的二氧化硅基水凝胶。 然后将噻唑类缓蚀剂负载在具有自修复性能的二氧 化硅基水凝胶上，负载缓蚀剂的水凝胶涂层具有良好 的防腐蚀性能。文家新等[74] 将苯并三氮唑缓蚀剂负载 在 pH 敏感型聚丙烯酰胺-聚丙烯酸杂化水凝胶中， 再将负载了缓蚀剂的凝胶粉末掺杂进醇酸树脂涂层 中，得到一种智能防腐涂层。盐雾试验和电化学阻抗 谱结果表明，该涂层在受到损伤时，依然具有良好的 腐蚀防护性能。

水凝胶由于具备亲水疏油的特性，已被应用于海 洋防护涂层。Zhang 等[75] 制备了一种海洋防污涂层， 该涂层利用水凝胶的亲水疏油性，使油污难以附着在涂 层表面，从而使海洋生物的附着量大幅减少。该涂层无 毒无害，相较传统海洋涂层防污效果良好、绿色环保。

目前制备水凝胶涂层多经过表面预处理、配制预 凝胶溶液、交联固化等步骤，可在不同材料、形状基 底上进行涂覆。制备的水凝胶涂层大多具备低摩擦 性、高耐磨性和防油污等。通过不同的处理方式，可 使水凝胶涂层具备一定的自修复、环境响应性等性 能。众多学者的研究结果表明，水凝胶用于涂层具有 可行性与创新性，也对涂层市场的发展具有重要意义。同时，该类研究成果也将为凝胶材料在腐蚀防护领域的应用打开新的局面。缓蚀剂结合水凝胶涂层使用，实现新型防腐涂层是可行的，只是目前对于水凝胶涂层与基体的结合力和缓蚀剂从涂层的释放还需要进一步研究。

3.2 智能缓蚀剂

目前应用的缓蚀剂主要有液体缓蚀剂和智能缓蚀剂，尽管液体缓蚀剂具有成本低廉，易于使用的特点，但其用量大，消耗快。而智能缓蚀剂无需使用加药泵和其他设备，缓蚀剂的有效成分可在介质中缓慢释放，可以在软管壁上达到长期保护的目的[76]。物理交联法制备的水凝胶由于其内部可逆键的存在，具有环境响应性能，可以调节负载水凝胶中缓蚀剂的释放速率，进行靶向释放，所以将水凝胶应用于智能缓蚀剂领域，有良好的发展前景。

Li 等[77]利用马铃薯淀粉和丙烯酸制备了一种 pH响应型水凝胶，然后将缓蚀剂负载其中，由于该水凝胶在不同 pH 下会表现出不同的溶胀行为，进而起到智能缓释的作用。如图 8 所示，作者通过电化学测试和扫描电子显微镜分析，发现该负载缓蚀剂水凝胶通过控制释放行为，对铝合金的长期缓蚀性能比普通使用缓蚀剂方法好。有学者用 2-(二甲基氨)乙基甲基丙烯酸酯制备了一种 pH 控释型智能缓蚀剂，该水凝胶在不同 pH 下具有不同的溶胀行为，从而可控制缓蚀剂的释放速率，对金属具有长期缓蚀性能[78]。

也有学者用壳聚糖和戊二醛交联制备出一种对 pH 响应型水凝胶，并将苯并三氮唑缓蚀剂负载在水凝胶中，得到一种固体缓蚀剂。该固体缓蚀剂对金属基体具有更长效的防护性能[79]。智能缓蚀剂除直接投放使用外，也可在涂层中进行添加使用。Wen 等[80]利用丙烯酰胺和丙烯酸制备了一种对 pH 响应的 BTA@PHVA/PEI 智能缓蚀剂，将其掺杂进醇酸涂层中，可使涂层在受到损伤时，对金属基体仍具备良好的腐蚀防护作用。

功能性水凝胶具有环境刺激响应性，能随着环境pH、温度等变化而改变自身溶胀程度，从而可改变负载在水凝胶中的缓蚀剂的释放速率。目前 pH 敏感型智能缓蚀剂研究较多，光敏型和热敏型智能缓蚀剂还有待进一步开发。对比传统固体缓蚀剂和液体缓蚀剂，智能缓蚀剂对金属有着更长效的腐蚀防护性能，具有良好的应用前景。将水凝胶与缓蚀剂结合使用对金属的防腐性能比较显著，为防腐涂层的发展方向提供了一种新的可能。

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来自：

表面技术 第 52 卷 第 4 期 ·100· SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 4 月

收稿日期：2022–01–21；修订日期：2022–03–28 Received：2022-01-21；Revised：2022-03-28

基金项目：四川省 2020 年度博士后科研项目特别资助；四川省重大科技专项（2019YFG0384）；四川省科技计划项目（2021YFSY0055）

Fund：Special Support for Postdoctoral Scientific Research Project of Sichuan Province in 2020; Major Science and Technology Special Project of Sichuan Province (2019YFG0384); Major Science and Technology Special Project of Sichuan Science and Technology Department (2021YFSY0055)

作者简介：漆鹏飞（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为电化学、腐蚀与防护、表面工程。 Biography：QI Peng-fei (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: wlectrochemistry, corrosion and protection, surface engineering.

通讯作者：唐鋆磊（1983—），男，博士，教授，主要研究方向为电化学、腐蚀与防护、表面工程、新能源材料。

Corresponding author：TANG Jun-lei (1983-), Male, Doctor, Professor, Research focus: electrochemistry, corrosion and protection, surface engineering, new energy materials.

通讯作者：黎红英（1983—），女，博士。

Corresponding author：LI Hong-ying (1983-), Female, Doctor.

引文格式：漆鹏飞, 林冰, 瞿建波, 等. 水凝胶在腐蚀防护领域应用进展综述[J]. 表面技术, 2023, 52(4): 100-111. QI Peng-fei, LIN Bing, QU Jian-bo, et al. A Review: The Application of Hydrogels in the Field of Corrosion Protection[J]. Surface Technology, 2023, 52(4): 100-111.

水凝胶在腐蚀防护领域应用进展综述

漆鹏飞1，林冰1，瞿建波

2，孟林3，张海龙1， 郑宏鹏

1，王莹莹4，唐鋆磊1，黎红英2,5

（1.西南石油大学 化学化工学院，成都 610500；2.中国航发航空科技 有限公司，成都 610503；3.新疆油田公司采油二厂，新疆 克拉玛依 834008； 4.江汉大学 光电化学材料与器件教育部重点实验室，武汉 430056； 5.西北工业大学，西安 710072）

来源：迪新材料科普南乔