网站地图|TAG标签| 欢迎光临涂料配方网 -- QQ群198026834 -- 广告联系QQ2434244749
您的当前位置:主页 > 涂料分类 > 其他涂料 > 正文

自修复智能涂料研究进展:概念、作用机理及应用

来源:未知 作者:admin 时间:2015-03-07 点击:
导读:介绍了自修复涂料的基本概念、自修复作用原理,重点介绍了目前发展较快的几种自修复涂层,包括微胶囊自修复涂层、液芯/中空纤维自修复涂层、氧化还原反应自修复涂层、可逆反应自修复涂层和形状记忆自修复涂层。同时,对目前自修复涂料在混凝土涂层、防腐涂层
自修复智能涂料研究进展:概念、作用机理及应用
许 飞1,凌晓飞1,许海燕2,,祝宝英1,朱 柯1,张汉青1,庄振宇1,陈卫东1,胡 中1
(1.中海油常州涂料化工研究院 国家涂料工程技术研究中心,江苏常州 213016;2.中国科学技术大学,合肥 230026)

1 自修复涂料的产生
涂料作为一种聚合物基的复合材料由于其轻质高强、优异的力学性能、良好的耐腐蚀性、良好的电性能等优点而在建筑、航空航天、交通、电子、体育运动以及军事用品等多个领域广泛应用。然而,聚合物基复合材料有一个主要缺陷是:此类复合材料在加工和使用过程中容易受到冲击而造成损伤。除了受到强烈冲击造成的材料破坏之外,更为普遍的是材料的微损伤(微裂纹),这种微损伤通常是目视很难检测的。此时材料表面可能看不出什么异常,但材料的强度已大大降低。微裂纹造成复合材料机械强度下降,聚合物材料一旦产生微裂纹,材料的完整性就受到严重破坏,甚至导致材料的整体破坏。另一方面,生物体受到损伤后其有自愈合的功能,生物材料的这种自修复功能若能重现在复合材料上,将会有很高的应用价值。受此启发,科学家们建立起材料的自修复模型,使得对材料的损伤,特别是那些内部不能被探测到的损伤,在不使用外加修补材料的情况下能得到一定程度的修复,这对保持材料的机械强度、消除隐患、延长使用寿命具有重要意义。自诊断、自修复功能的智能材料这一概念是由美国军方在20世纪80年代中期提出的,并很快成为各国研究的重点。
将自修复技术应用于涂料领域,即产生了自修复涂料。所谓自修复涂料,即涂层遭到破坏后具有自修复功能,或者是在一定条件下具有自修复功能的涂料。近年来,涂料技术与材料科学的发展紧密相联,各种功能涂料随着材料科学的持续进步不断涌现,在这种背景下,自修复涂料在理论研究及实际应用中均得到快速发展,本文主要就自修复涂料的基本原理及一些应用做一个综述。
 
2 自修复涂料的理论基础
自修复涂料按照修复机理不同大致可分为3种类型:(1)修复剂释放型自修复涂层;(2)可逆化学/物理反应自修复涂层;(3)其他类型。其中修复剂释放型自修复涂层主要包括:①微胶囊自修复涂层;②液芯/中空纤维自修复涂层;③氧化还原反应自修复涂层。而可逆化学/物理反应自修复涂层主要包括:①可逆反应自修复涂层(Diels-Alde可逆反应);②形状记忆自修复涂层(主要针对聚氨酯)。目前发展较快的自修复涂层主要基于以上所述原理的一种或者几种,本文分别对以上几种涂层的自修复原理进行阐述,并对它们的应用做一些介绍。
2.1 微胶囊自修复涂料
自修复体系根据作用机理的不同可分为埋植式修复和原位式修复。原位式自修复体系对基体结构有严格要求,并且只针对特殊基体。埋植式的修复是发展比较早,研究也较深入。这种方法是将修复剂埋植于涂层基体中,接收到外界变化时,释放出修复剂,并由毛细现象使得修复剂在基体中扩散,最终按某种机制黏合裂纹。最经典的埋植式自修复涂层即目前发展最成熟的是基于微胶囊技术的自修复涂层。微胶囊技术是一种在固体或液体颗粒表面包覆一层性能稳定的高分子膜形成具有核壳结构的复合材料技术。微胶囊技术将自修复微胶囊埋植于基体中,在基体产生微裂纹后,埋植于基体内部的微胶囊受外力作用破裂,释放出芯材,在虹吸作用下芯材充满裂纹处发生反应完成自修复过程。例如,White等设计了经典的微胶囊自修复复合材料体系。如图1所示,采用脲醛树脂作为微胶囊中包覆修复单体二环戊二烯(DCPD),在基体中分散能修复使单体聚合的Gibbus催化剂。当复合材料在外力作用下产生的裂纹发展到微胶囊表面并使微胶囊破裂,由于毛细管的虹吸作用,修复单体充满到微裂纹内部,当发展的裂纹碰到基体中分布的催化剂时,修复剂发生开环聚合反应,从而修复裂纹,使材料性能得到一定程度的恢复。
微胶囊自修复示意图
2.2 液芯/中空纤维自修复技术
微胶囊自修复涂层的种种优点使得该自修复体系得到较快发展,但是微胶囊自修复涂层也存在一定的缺点:由于包覆有修复剂的微胶囊与主体树脂或涂料为非均相体系,当加入微胶囊量较少时,无法达到修复效果,因此需要增大微胶囊的使用量,但当增大微胶囊使用量时,微胶囊的加入对涂层主体性能实际上是有降低的。在这样的背景下,另一种修复剂释放型自修复涂层应运而生,它可以有效增加修复剂的使用量而不降低主体涂料的性能。这种自修复体系即为液芯/中空纤维自修复涂层。它的原理是在聚合物基体中复合有含黏合剂液芯或空心的纤维,在树脂基体内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统,当材料出现裂纹时,部分液芯或空心纤维,黏合剂液体流出渗入裂缝,使受损区域重新愈合。Bond和他的合作者们采用仿生学的方法,制备一种包含有未固化环氧树脂和固化剂的中空纤维,并将这种中空纤维植埋于主体环氧树脂中(如图2所示)。试验结果表明,当涂层发生破坏后,经过包覆有修复剂的中空纤维修复后,涂层可以保持材料初始抗弯强度的97%。试验中,在修复剂中混合着紫外荧光材料,试验可以清晰地检测到修复剂的释放和渗透。
液芯/中空纤维自修复涂层
2.3 氧化还原反应自修复涂料
钢板、镀锌钢板、含锌镀钢板或铝材等金属板材料被广泛地使用于汽车、建材和家电产品等领域。为了防止钢材的腐蚀,一般需要对钢材进行钝化处理。实际上,镀锌钢板的钝化层也是一种自修复涂层,一般情况下,钝化层为含铬的无机复合涂层。在涂层发生破坏后,钝化层中的6价铬发生氧化还原反应,生成3价铬,形成新的致密涂层,起到自修复作用。自修复过程如图3所示。
含铬钝化层自修复示意图
--本网站大部分资料均收集于网络,如有侵权请联系站长删除 Power by DedeCms
Top