ICM—以应用为导向的高水平创新研究

• 文章导读

聚合物基涂层具有种类多、密度低，比强度大，电绝缘的优势，同时具有良好的耐腐蚀性，然而聚合的本征导热系数过低限制了其在热管理领域的应用，添加导热填料会由于树脂-填料相容性差导致复合涂层内部产生缺陷，使其防腐性能大大下降。

为破解传统有机聚合物涂层在导热和防腐方面难以兼顾的重大挑战。近期，天津大学汪怀远教授团队发明了一种集优异导热和热辐射于一体的环保型粉末防腐涂层（MEGP）。在导热填料选择方面，选择具有微三维结构的膨胀石墨（EG）作为复合涂层的填料骨架，并用新合成的席夫碱-铈配合物（SP）缓蚀剂改性后得到功能填料（MEG），通过静电喷涂在涂层中形成三维导电网络。独特的结构赋予MEGP卓越的导热系数（2.6 W m⁻¹ K⁻¹），比纯环氧树脂（常用的防腐涂料树脂）高12倍，并且具有很高的红外发射率（在2.5-25 μm的全光谱范围内为0.95-0.98）。涂层通过传导和辐射双重机制协同增强散热，并用有限元模拟证实了其优异的热管理性能。同时，MEGP涂层表现出优异的附着力（10.4 MPa）和抗冲击性（100 cm）。此外，得益于席夫碱-铈配合物的存在，涂层在0.01 Hz频率下，在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡90天后，其阻抗模量仍保持在10⁸ Ohm cm²以上。通过系统研究，阐明了三维网络结构与涂层多功能性能之间的结构-性能关系。这种新颖的设计为制备高导热防腐涂层提供了一种新方法。

图文摘要：高导热高红外发射率防腐涂层（MEGP）

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：A novel high thermal conductivity powder coating based on synergistic reinforcement of heat conduction and infrared heat radiation。欢迎扫描下方二维码或者点下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D5IM00115C

• 本文亮点

★ 提出了新策略研制了一种新型的高导热粉末涂料，通过热传导和红外热辐射来增强其散热性能；

★ 设计了MEGP涂层具有2.6 W m⁻¹ K⁻¹的优异导热性，同时兼具0.95-0.98超高红外发射率（2.5-25 μm）；

★ 制备了新型Schiff碱-Ce配合物改性功能填料使涂层的|Z|_{0.01 Hz}提高了4个数量级；

★ 采用了粉末喷涂的方式制备涂层，工艺清洁，适合大规模应用，实现零 VOC排放，满足工程装备涂装。

• 图文解读

1. 填料改性和复合涂层的制备流程图

将规定质量的EG和PPD溶于300 ml乙醇中，搅拌约15 min。将PPA和六水硝酸铈分别溶于25 ml乙醇中。将PPA溶液和硝酸铈溶液滴加到EG-PPD混合溶液中。反应3 h后，过滤、干燥得到SP改性EG（MEG)。将1 g EG与25、50、75、100、125和250 × 10⁻⁶ mol PPD反应分别制备命名为SP-25、SP-50、SP-75、SP-100、SP-125和SP-250。采用熔融吸附法对MEG进行预填充。之后，将环氧树脂、固化剂、预填充的MEG和流平剂（0.75 wt%）在密炼机中在90 ℃下混合2 min。最终将粉碎的混合物静电喷涂并固化（180 ℃，2 h）得到MEGP -X涂层，其中X代表涂层中填料的质量分数。树脂与固化剂的比例为15：2。为了进行比较，采用相同方法制备了EGP- X，GrP和CNTP涂层。涂层厚度为150±15μm。

图1. MEGP涂层的制备示意图

2. 涂层形貌表征

如图2a-c所示，随着填料含量增加，EGP涂层中的填料网络逐渐致密。但当填料含量达到9 wt%时，EGP-9涂层出现成膜性欠佳的现象，其截面可见明显的大尺寸缺陷与孔洞（>200μm，图2c)。而MEGP涂层（图2d-i)的填料网络同样随填料含量提升呈现致密化趋势，其中MEGP-9不仅成膜性能优异，且SEM截面图像中未见明显缺陷。这种变化可归因于填料改性技术增强了EG填料与环氧树脂间的界面相容性。

图2. 涂层形貌：不同填料含量的EGP（a-c）和MEGP（d-i）的SEM截面图像

3. 涂层的导热系数和红外发射率的测定

通过优化填料含量和改性剂SP的用量，得到了涂层的最优面外导热系数为2.6 W m^-1 K^-1，比纯环氧树脂（常用的防腐涂料树脂）高12倍，并且具有很高的红外发射率（在2.5–25 μm的全光谱范围内为0.95–0.98）。在30次热冲击测试后，涂层依旧保持了良好的热稳定性。

图3. 涂层的热导率：（a）不同填料含量的EGP和MEGP涂层的TC。（b）不同SP含量的MEGP-7涂层的TC。（c）相同填料含量下CNTs，Gr和EG填料涂层的TC。（d）不同温度下EGP和MEGP涂层的TC。（e）EGP和MEGP涂层的热冲击测试。（f）不同填料含量的MEGP涂层的Agari模型。（g）EP，碳钢和MEGP-9涂层的红外发射率。（h）不同填料含量的MEGP涂层的红外发射率

4. 涂层的防腐性能

EGP-9涂层在氯化钠溶液中浸泡90天后，其|Z|_0.01Hz值从约10⁷ Ohm cm²急剧下降至10⁴ Ohm cm²。Nyquist图（图4b2)显示电容弧半径减小且双时间常数愈发显著，表明电解液渗入基材/涂层界面并导致屏蔽效率降低。长时间浸泡促进了钢与电解液的直接接触，触发了界面电荷转移过程。相比之下，MEGP-9涂层即使经过90天盐水浸泡处理后仍保持较高的|Z|_0.01Hz值（>10⁸ Ohm cm²）（图4d1和d2)。例如，MEGP-9涂层（6.5×10⁸ Ohm cm²）在90天浸泡后的阻抗模量比EGP-9涂层（3.1×10⁴ Ohm cm²）高出四个数量级。此外，整个浸泡期间，MEGP-9涂层的阻抗弧半径始终大于EGP-9涂层，显示出良好的耐腐蚀性能。图4e展示了添加9 wt%填料的EGP和MEGP涂层在0.01 Hz下的阻抗模量变化。

图4. 不同填料含量的EGP（a1和a2）和MEGP（c1和c2）涂层，以及不同浸泡时间的EGP-9（b1和b2）和MEGP-9（d1和d2）涂层的Bode图和Nyquist图; (e)填料含量为9 wt%的涂层在0.01 Hz时的阻抗模量变化。MEGP涂层防腐机理示意图（f）

•  总结与展望

本研究成功研制出环保型功能粉末涂层（MEGP），有效改善了传统聚合物基防护涂料在导热性与耐腐蚀性之间难以兼顾的固有矛盾。通过合成新型的功能填料构建三维网络结构，MEGP涂层实现了双重功能协同效应：兼具卓越导热性能（2.6 W m⁻¹ K⁻¹）与高红外发射率（0.95-0.98），实现高效散热；同时具备10.4 MPa的强附着力和抗冲击特性。有限元模拟进一步验证了其优异的热管理性能。此外，席夫碱-铈改性剂的引入确保了涂层的防腐蚀性能，在盐水环境中浸泡90天后仍保持高于10⁸ Ohm cm²的阻抗值。该创新策略不仅突破了传统防腐涂料的导热局限，更为绿色涂层设计的规模化应用奠定了理论基础，展现出在工业热管理和海洋防腐领域的潜在应用价值。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

D. Bao, J. Ning, D. Lin, S. Yuan, J. Peng, Y. Sun, H. Wang, Y. Zhu and R. Wang, A novel high thermal conductivity powder coating based on synergistic reinforcement of heat conduction and infrared heat radiation, Ind. Chem. Mater., 2025, DOI: 10.1039/D5IM00115C.

• 作者简介

通讯作者

汪怀远，教授，天津大学化工学院党委书记，博士生导师，国家杰青，国家“有突出贡献的中青年专家”，享受国务院特殊津贴专家，国家技术发明二等奖获得者，侯德榜化工科技奖青年奖、孙越崎能源科学技术奖青年奖等获得者。主要从事化工新材料、表界面设计与强化、新型功能涂层研究，服务于油气装备、化工装备以及深海装备及管道防腐耐磨与防污防垢，换热设备及芯片等高导热防腐需求。作为负责人主持了20余项省部级以上科研项目，包括国家杰出青年科学基金、国家重大项目、国家重点研发课题、国家自然科学基金以及央企/龙头企业合作课题等，先后50余次担任国内外学术会议主席、分会场主席、委员或做大会/邀请报告。

第一作者

包迪，天津大学博士后，主要从事聚合物基功能涂料/复合材料方面的研究工作。在Chem. Eng. J.、Small、Ceram. Int.、Compos. Commun.等国际知名杂志上合作发表SCI论文30余篇，申请发明专利6 项，授权5 项。主持国家自然科学基金青年基金项目、校自主创新基金等科研项目2项。作为主要成员参与国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目研究。

第一作者

宁俊淇，天津大学博士研究生，研究方向为导热复合材料/涂层的制备及其性能研究，导师为汪怀远教授。从事科研以来，以第一作者（含共一）身份在Ind. Chem. Mater.、Chem. Eng. J.、Carbon、Adv. Membr.、Sep. Purif. Technol.、Ind. Eng. Chem. Res.期刊发表论文六篇，申请发明专利4项，授权2项。参与国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目研究。

AFCC课题组招聘

面向国家双碳和氢能战略，深地深海能源资源和高端装备重大重点需求, 利用材料化学工程方法手段，开展分子表界面设计与强化 （前沿基础）→ 化工新材料与功能涂层（合成/制备与调控） → 满足国家重大需求（工程应用）的应用基础研究。团队已发表中英文SCI论文300余篇、发明专利90余件，主要涉及化工、材料、机械等多学科交叉领域，诚聘相关专业背景的专家、学者、博士后、博士生一起来天津大学发展，共同为材料化学工程、表界面科学与工程、聚合物基材料科学与工程等学科事业发展贡献力量。团队负责人：汪怀远教授，天津大学化工学院党委书记，博士生导师，国家杰青，国家“有突出贡献的中青年专家”，享受国务院特殊津贴专家，国家技术发明二等奖获得者，侯德榜化工科技奖青年奖、孙越崎能源科学技术奖青年奖等获得者。详情见：

http://chemeng.tju.edu.cn/cn/szdw?type=detail&id=430

团队所在平台包括：化学工程与低碳技术全国重点实验室，天津化学化工协同创新中心，精馏技术国家工程技术中心，化工安全与装备技术省部级重点实验室。

研究方向

•  极端环境下微纳传递与反应，表界面设计与强化科学基础；解决材料制备、能源存储与输送过程中遇到的难题；

•  石油化工装备防护技术（防腐耐磨、减阻阻垢）；

•  聚合物基功能涂层&膜（超疏、双疏涂层、自修复涂层、防腐、防污防垢等）；

•  微胶囊设计、制备调控及其工程应用；

•  发汗聚合物及其复合材料，减阻功能涂层；

•  高导热涂层及其防腐防垢研究；

•  深地深海装备的防腐耐磨防污技术；

•  CCUS中腐蚀与防护技术；CO₂驱油装备防护技术；

•  大型压缩空气储能设备防护技术

•  氢能储运及阻氢涂层研究

•  UV功能膜与涂层

•  纳米材料制备/聚合物树脂合成与改性，有机无机杂化；

•  高端润滑油及其关键助剂。

薪资待遇

•  英才教授/副教授岗位待遇：

学位：上述研究方向的相关专业博士学位

博士后：具有港澳台地区或国外博士后研究经历或国内名校经历

研究方向：上述研究方向

学术论文：在主流 top 期刊上发表过多篇研究论文/业绩突出者优先考虑，由学校/学院评聘。

薪 酬：税前年薪 40 万元以上（全口径统计收入）

科研支持经费： 科研启动费；

其他相关政策：协助解决子女入学问题；

•  博士后薪资福利待遇与职业发展：

工资和福利待遇按照天津大学博士后相关标准执行，业绩突出有额外奖励（全口径收入30万元以上），如申请获得各级人才项目，补贴待遇另计。享受天大正式职工同等待遇（如五险一金、户口、子女入园入学等）。其他相关政策：解决子女入学问题。工作业绩突出者可申请留天津大学工作，申请副教授/副研究员等。团队为年轻人发展提供个性化发展路径和大力支持。

联系方式

有意者请投递详细的个人简历，简历内容包括学习工作经历、主要研究工作内容、代表论文清单、获得的奖励等，发送至以下邮箱：

yanji.zhu@tju.edu.cn；或wanghyjiji@163.com

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