水性聚氨酯弹性防护涂层的自愈合行为与机理

发布时间：2020-04-13 15:59

【摘要】：船舶、海洋结构物及钢结构通常都需要涂覆涂层材料实现保护目的。但防护涂层在服役时,除了受到环境介质的腐蚀、海洋生物的附着污损外,还会受到海面漂浮物等的撞击擦伤。近年来,具有自愈合性能的材料及涂料得到广泛的关注。研究较多的外援型自愈合材料依靠预先包埋在材料或涂料的微胶囊破裂实现对损伤区域的修复。而本征型自愈合材料则依靠本体自身的化学结构与性质实现损伤的自愈合。聚氨酯弹性材料被证明是一种本征型的自愈合材料。为了顺应绿色环保理念,防护涂料水性化已成发展的必然选择。因此,水性聚氨酯弹性材料及涂层的自愈合行为机理研究具有重要科学意义和工程价值。本文自主设计合成了硬段重量分别为25%、30%、35%、40%、45%的PPG-BDO-TDI型聚氨酯乳液,制备了相应的水性聚氨酯弹性材料,粉体增强复合材料和防护涂层。利用红外光谱、差热分析、热重分析、拉伸试验机表征了弹性材料的结构与性能。系统研究了硬段含量、愈合时间、损伤方式、多次损伤及加载速率对弹性材料自愈合行为与性能的影响,并提出了自愈合机理模型。结果表明:成功合成不同硬段含量的弹性材料,聚氨酯包含两个明显的玻璃化转变温度,表明聚氨酯中存在软硬段互不相容的微相分离结构。热重显示300℃以下,聚氨酯弹性材料有较好的耐热性。随着硬段含量增加,弹性材料的断裂强度和弹性模量增加,而延伸率下降。自愈合率随硬段含量的增加而下降,当硬段超过45%时,弹性材料完全失去自愈合能力。局部损伤弹性材料在48小时自愈合率达到最大,断裂强度最高可恢复为原始的90%,延伸率可恢复为原始的30%,愈合率要高于拉断和割断试样。试样在同一部位反复断裂,其自愈合能力不断降低,经七次断裂后彻底失去自愈合能力。随加载速率增加,试样自愈合率略升高。粉体增强复合材料自愈合率随粉体含量增加而减小,当粉体含量为3.5%,试样失去自愈合能力。机械剪切力加入粉体的自愈合率高于超声分散。不同粉体增强复合材料自愈合率由高到低为纳米二氧化硅硅藻粉钛白粉碳纳米管。防护涂层自愈合率要远低于弹性材料,随硬段含量增加,自愈合率下降,40%硬段含量涂层已经失去单次损伤后的自愈合能力。
【图文】：

示意图,微胶囊,原理,示意图

入裂纹深处进行高度粘合，同时催化剂进一步发挥作用阻止裂面的进一步生逡逑长。但微胶囊的直径，壁厚，包括微胶囊芯材等一系列问题都会影响自愈合效逡逑果。由于这些缺点，微胶囊法的应用范围受到很大的限制。图１．１为微胶囊法逡逑的原理示意图：逡逑Ｉ逦ｒ逦１邋１逦．逦＇炉邋．．．．逦＊逡逑ｖ＿．‘逦＊逦“１＇．．人邋＊逦＊？邋Ａ邋＊逦）逡逑图１．１微胶囊法原理示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｃａｐｓｕｌｅ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑８逡逑

示意图,反应原理,示意图

Ｋｕｒｔ邋Ａｌｄｅｒ共同发现了邋Ｄ－Ａ可逆反应，通过Ｄ－Ａ可逆反应实现涂层的自修复逡逑［４Ｑ］。Ｄ－Ａ可逆反应机理如下图１．２：逡逑ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑、Ｄ逡逑图１．２邋Ｄ－Ａ反应原理示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｄ－Ａ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑目前关于热引发研宄较多的就是Ｄ－Ａ反应，Ｄ－Ａ反应中利用含呋喃环和马逡逑来亚酰胺作为热可逆反应聚合的单体来实现愈合。魏洪亮通过具有呋喃侧链组逡逑分的水溶性聚合物与马来亚酰胺发生Ｄ－Ａ反应制备水凝胶己经获得成功１４１＇邋４２＿逡逑４３＿４４］。Ｄ－Ａ反应作为一种新颖的自愈合方法目前的研宄处于基础阶段，国内的逡逑研宄己经取得重大突破，但在愈合效率方面表现的并不优异，还需要有关学者逡逑的深入研宄。逡逑光引发是指在不同光照强度的条件下引发基体材料愈合。光引发同样是通逡逑过光照进而影响到高分子内部的键能变化以及共价键的重组和构象从而发生环逡逑反应。Ｃｈｕｎｇ邋［４５］等利用环反应制备了自愈合高分子聚合物，当材料损伤后，，在逡逑波长大于２８０ｎｍ进行光照，实现了开环闭合。并通过红外证实了高分子聚合物逡逑发生了愈合。Ｇｈｏｓｈ等人制备了一种具有自愈合能力的聚氨酯，自愈合机理如逡逑下图。涂层中的聚氨酯网络结构含有壳聚糖和氧杂环丁烷结构，当涂层表面损逡逑伤后
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ637

【参考文献】