涂層自修復技術研究進展
2019-10-11 11:35:35 作者:張勇,,樊偉杰, 張泰峰, 王安東, 陳躍良 來源:中國腐蝕與防護學報 分享至:

涂裝涂層是目前海洋工程裝備普遍采用的一種腐蝕控制手段。經過對我國主要防腐涂層體系調研可見,國內 (天津燈塔、上海涂料研究所、北方涂料工業研究設計院、西安油漆廠、海洋化工研究院等) 和國外涂層供應商 (美國的PPG公司、荷蘭的Akzo Nobel 公司和美國的 Sherwin William 公司等) 的產品,均會在3~5年時間內出現不同程度的開裂、脫落等現象。目前,國內對涂層破損部位的修復仍主要依靠定期補漆的方法進行,且一般采取人工現場噴涂或手動刷涂的方式。由于受現場施工條件限制,修復后的涂層厚度無法控制、表面狀態難以達到相關性能參數要求,修復后的部位很容易再次成為涂層缺陷,甚至短時間內引發更大面積的涂層失效。


近年來,具有智能自修復功能的材料引起了眾多學者的關注,部分具有智能調節功能的涂料現已進入工程應用研究階段。北美涂料制造商Tnemec旗下 Sherwin-Williams公司設計的自動底面分層聚氨酯涂料可達到常規環氧涂層的性能,應用于磷化處理的鋁表面,極大減少了涂裝工作量和溶劑排放量。該涂層還可根據飛機服役環境特點,自主進行光澤度調整,提高飛機的防護性能。美國Usarrow公司開發的單組分聚氨酯涂層具有較好的延展性,能隨機身振動而彎曲變形,有效避免鉚釘周圍等應力集中部位涂層的開裂;即便面漆開裂,底漆層仍能起到防護效果,目前該底漆已應用于美國部分軍用型號的飛機。歐洲Basf Coatings公司研發的水性自清潔環氧面漆得到麥道及波音公司的認可,被廣泛應用于民用飛機行業。Doway公司經多年開發,已研制出特種熱障聚氨酯涂料,具有優異的耐紫外老化性能,普遍適用于民航客機表面涂裝,服役10年后表面光澤仍能保持80%以上。


我國自修復涂層的研究最早開始于20世紀60~70年代,最初以合成型樹脂為主,代表性涂料是丙烯酸樹脂涂料。這類涂料的特點是單組份、干燥快、施工方便、涂層光熱穩定性好,但耐油和耐化學介質的性能較差。80年代以來,單組份涂料主要被固化型涂料逐漸代替,其中典型代表為雙組份聚氨脂涂料,具有優良的耐水、耐油、耐霧、耐濕熱和抗化學介質侵蝕性能。隨著海洋工程裝備智能化水平的提高,開發具有智能自修復功能的涂層成為國內外許多學者研究的熱點。


1 涂層自修復技術研究現狀

 

自修復涂層是在不使用外加修補材料的情況下最早在涂層裂紋萌生初期就對破損部位進行一定程度的修復,這對延長重涂時間、保障基材的機械強度、消除安全隱患、延長使用壽命具有重要意義。自20世紀80年代中期美國軍方提出自診斷、自修復功能智能材料這一概念后,針對涂層自修復技術的研究便受到眾多學者的關注。目前,對涂層自修復技術的研究主要集中在液芯/中空纖維技術、微膠囊技術、可逆反應技術以及形狀記憶技術。


1.1 液芯/中空纖維技術

 

液芯/中空纖維技術是將裝有修復劑和固化劑的中空纖維埋入材料中,如圖1所示,當材料發生損傷時,中空纖維也因受到損傷隨之破裂,修復劑和固化劑流出,在損傷處固化,從而修復裂紋,達到修復損傷的目的。早在20世紀90年代,中空纖維自修復技術作為一種自修復智能材料便得到了很多研究者的關注,隨后在Bleay等和Kousourakis等發表的文獻中顯示,當用于裝填修復劑或固化劑的空心纖維直徑在40~200 μm之間時,液芯/中空纖維具有良好的修復效果。因此該技術適用于如混凝土等大尺寸復合材料[4,5]和膜層較厚的涂層,但在干膜厚度通常只有40~100 μm的航空涂層上應用則有一定的局限性。

 

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1.2 微膠囊技術

 

微膠囊技術是將某些特定材料包覆于惰性外殼中制成微膠囊,添加在涂料中制成自修復涂料。在涂層產生微裂紋后,埋植于基體內部的微膠囊受外力作用破裂釋放出芯材,在虹吸作用下芯材充滿裂紋處發生反應完成自修復過程,如圖2所示。與空心纖維自修復系統相比,微膠囊物理尺寸更小,且微膠囊制造技術和把微膠囊復合到基體材料的技術都已相對成熟[7],因而微膠囊型復合材料更具有應用價值。微膠囊技術研究的關鍵在于囊芯和囊壁材料的選取及制備。Whiet等在20世紀90年代首次將膠囊技術應用于自修復智能復合材料。并發表文章介紹了一種包覆有雙環戊二烯 (DCPD) 的微膠囊制備過程,將其與催化劑一同分散在涂料中,當涂層產生裂紋時微膠囊會隨之破碎,釋放出的DCPD單體在催化劑的作用下會在破壞位置重新反應,生成一層物理保護層,從而實現自修復效果。這種方法需要在涂層中同時混入催化劑、修復劑等,制備工藝相對復雜,成本較高,但為后期學者的研究提供了思路。隨后,2006年Kumar等[9]用成本較低的桐油替代DCPD包覆進微膠囊,制備了同樣性能良好的自修復涂料。近十年來,文獻中又陸續報道了很多學者對微膠囊技術進行的進一步改進,探索將一些新的物質作為修復劑包覆進微膠囊,無需外加催化劑、修復劑便可起到自修復作用。通過涂層電化學阻抗、鹽霧實驗、應力-應變曲線等一系列性能表征與測試,表明這些低成本、綠色環保的修復劑均能取得良好的自修復效果。

 

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國內將微膠囊技術應用于自修復涂料的研究起步較晚。2004年,田薇以脲醛樹脂為壁材、液相DCPD為芯材制備了微膠囊復合材料,并初步驗證了裂縫的產生能導致微膠囊破裂,并使包裹在膠囊內的修復液流出這一過程。但由于原料單體濃度配比、催化劑用量等原因,自修復效果并不理想。2005年,黨旭丹等從理論上論證了微膠囊型自修復智能復合材料應用于涂層領域的可行性。2007~2009年間,郝煥英、胡宏林通過對微膠囊進行表面改性的方法,研究了微膠囊與樹脂基體界面系數對自修復材料的性能、自修復效率的影響。邢瑞英等以乙烯基硅油替代DCPD為芯材,采用原位聚合法成功合成了具有自修復功能的新型微膠囊。近五年來,國內眾多知名院校和科研院所,如北京科技大學、華南理工大學、中山大學、天津大學[、中船重工第七二五研究所和中國科學院海洋研究所等團隊均開展了大量實驗,旨在研發新型微膠囊壁材或芯材,這些研究工作均對于微膠囊自修復技術的發展和應用具有推動作用。


盡管微膠囊技術具有巨大的應用發展前景,但值得注意的是,目前文獻中所有報道的微膠囊自修復涂料只有在劃痕寬度小于涂層厚度時,長效阻隔性能才能得到有效發揮;對于劃痕寬度較大的涂層破損,則修復效果大幅降低。如何克服這一缺點,使微膠囊自修復技術對于劃痕寬度較大的破損仍然具有良好的修復效果,將成為微膠囊自修復技術研究的重點方向。此外,目前國內外針對微膠囊自修復技術的研究主要集中在對合成單體的選材、改性和性能表征,關于研究具有靶向修復作用的微膠囊卻很少。對于涂層而言,在實際服役環境下機身上、下表面和基體結構中封閉部位、半封閉部位之間紫外線強度和溫濕度等差異較大,在飛行過程中機身迎風面因氣動性而產生的熱沖擊更不能忽視,在這些條件下微膠囊自修復涂料受到嚴重考驗;此外,對于飛機某些裝載精密儀電設備的部位而言,微膠囊能否在電場或磁場的作用下實現對破損部位的定向修復,而不會對設備產生干擾作用。上述問題有待進一步研究。


1.3 可逆反應技術

 

可逆反應技術是利用高度交聯的聚合物具有熱可逆反應的特性實現對破損部位的自修復,即當將材料從常溫升到高溫時,部分化學鍵斷開,當溫度從高溫緩慢降回常溫時,化學鍵又會通過逆反應重新鍵合,因此可逆反應技術研究的關鍵在于可逆反應官能團的接枝技術。早在1998年,Dry[38]報道了基于呋喃多聚體和馬來酰亞胺多聚體Diels-Alder (DA) 熱可逆共聚技術,實現了交聯共價鍵相連的大分子網絡,結果表明在對缺口沖擊產生的裂縫進行簡單的熱處理后,自修復效率可達到57%。在此基礎上,Chen等[39,40]開發了多官能度呋喃單體 (4F) 與馬來酰亞胺單體 (3M) 聚合反應得到聚合物3M4F,并將這一聚合物應用于涂料成膜物,表現出較好的自修復效果。隨后,Adzima等以及其他學者均基于此原理,通過化學接枝改性的方式制備了多種新型聚合物用于涂層自修復。但上述研究成果均存在一缺點,即此種多官能度單體直接聚合得到的自修復聚合物通常存在熱穩定性較差的特點,因而修復效率不高。


近年來,研究人員開始轉向研究通過高分子支鏈上的呋喃或馬來酰亞胺基團制備自修復聚合物材料。Liu等通過環氧化合物制備了三官能度的馬來酰亞胺單體 (TMI) 和三官能度的呋喃單體 (TF),經熱可逆反應后得到的聚合物可在120 ℃條件下進行自修復。Yoshie等[45,46]將呋喃基團引入聚乙烯己二酸分子鏈,并與三官能度的馬來酰亞胺3M合成了具有三維網絡結構、可快速通過DA逆反應的聚合物PEA2F。Kavitha等通過原子轉移自由基法將呋喃側基接枝到聚甲基丙烯酸酯主鏈,進而與馬來酰亞胺反應形成聚合物。Liu等[49]將含有馬來酰亞胺基團的聚酰胺與呋喃單體進行熱可逆反應合成自修復聚合物。研究人員報道了通過聚酮、呋喃甲胺及雙馬來酰亞胺制備具有不同含量呋喃基團的聚酮,與馬來酰亞胺反應形成了自修復聚合物,研究結果表明在聚酮修飾階段改變呋喃胺和交聯劑的數量可以很好地調節玻璃化溫度Tg及熱降解性能。研究人員提出用含有馬來酰亞胺基的聚氨酯與雙官能度的呋喃單體聚合得到的熱可逆聚合物,測試表明通過可逆反應制備的聚氨酯聚合物表現出良好熱可逆效應和熱穩定性。


可逆反應技術較微膠囊技術具有以下優點:(1)合成途徑比較靈活,修復溫度可調節,應用范圍廣;(2) 所制備的高分子聚合物不僅具有傳統聚合物的性能,同時具備了在加熱條件下進行修復的能力;(3) 反應原料來源廣、成本低,例如呋喃甲醛等可通過農業和林業獲得;(4) 可實現多次修復,并能夠在修復后保持材料最初的結構,這主要歸因于通過可逆反應進行修復的聚合物依賴于自身的化學鍵。


1.4 形狀記憶技術

 

形狀記憶技術是利用有“形狀記憶效應”的高分子材料來實現。形狀記憶高分子 (SMPs) 的分子結構通常由固定相和活動相兩相組成,其中固定相保持材料的回彈性,而活動相降低材料在特定外部剌激下的剛性,是一種潛在的活動單元。當材料暴露在某些環境中,活動相被激活,在外部條件作用下可使材料賦形;相反地,也可促使儲存在當前形狀下的能量得以釋放,最終回復到原始形狀。形狀記憶技術研究的關鍵在于軟硬段的選取及比例調配。上個世紀中后葉,美國、法國、日本科學家相繼開發出聚甲基丙氨酸、聚降冰片稀聚氨酯等具有形狀記憶效應的材料。進入21世紀以來,包括聚氟代烯烴、聚己內酯、交聯聚乙烯以及乙烯-乙酸乙酯共聚物等各種各樣的SMPs也得到了廣泛研究。形狀記憶材料根據對外部刺激的響應可分為化學反應形狀記憶、電阻焦耳加熱響應/熱敏形狀記憶、光致形狀記憶、微波響應形狀記憶和磁敏形狀記憶。


目前有望應用于涂料領域的為形狀記憶聚氨酯 (SMPU)。因其具有優良的防水透氣性、微相分離性、耐候性、光學折射性以及合成原料來源廣泛、易加工等特性,被認為是最具有價值和應用前景的形狀記憶材料之一,已在紡織工業、醫學仿生材料、異型管結合材料等方面得到廣泛的研究。研究人員制備出防水透氣性較好的SMPU,可根據外部溫度的變化自動地調整防水透氣性,讓皮膚接觸到的織物舒適性更佳,部分產品能通過熱空氣和熱水讓織物的皺痕自動消失,目前該技術已應用到鞋子、衣服、帳篷等紡織工業應用中。同時SMPU做成的醫用手套、牙/骨科器材、傷口縫合材料等生物醫用材料具有輕質、 (生物) 相容、抗菌以及形變可逆的優點,成為醫用材料研究的熱點。


將SMPU用于自修復涂料是近五年來一個新的研究熱點。Jorcin等[63]將SMPU作為主要成膜物質制備了自修復涂料,并針對分子鏈中不同硬段含量對自修復性能的影響進行了研究。結果表明,當硬段含量為12%時,物理自修復性能相對較好。González-García等制備了以聚已內酯 (PCL) 為軟段,以聚氨酯 (PU) 為硬段的SMPU作為鋁合金表面防護涂層,用不同的實驗手段共同研究了該涂料的自修復過程,并詳細論述了包含物理回復和熱致回復雙重自修復過程的作用機理。Nji等利用力學性能測試的方法對Li等提出的SMPU可修復的最大裂紋寬度進行了研究,結果顯示對于物理尺寸小于其分子鏈長度10%的裂紋均能使修復率達到100%。Luo等將熱敏性聚己內酯纖維隨機分布在SMPU成膜物質中,當對損傷后的涂層進行加熱時,主要成膜物質仍以形狀記憶的形式回復到初始形狀,同時纖維中的己內酯單體會在熱力學作用下流向劃痕處,以化學反應的形式同時進行修復。采用開路電位、線性極化、形貌觀察等手段對修復后涂層進行性能表征,結果顯示對防腐性能的修復也能達到100%。Lutz等提出了將新型紫外光固化涂料與SMPU兩種涂料聯用的方法,將形狀回復后的涂層用紫外固化的形式進行二次修復,修復后材料的楊氏模量可達到使用前的97%。


Wang等曾以SMPU為壁材,以棕櫚蠟為芯材制備了微膠囊,并將膠囊物理共混加入涂料使其具有自修復功能。修復原理為在對損傷后的涂層加熱至65 ℃時,一方面棕櫚蠟修復劑對損傷位置基材進行密封修復;另一方面囊壁材料通過形狀記憶效應回復到最初形狀,從而同時保證了涂層自修復效果和機械強度。通過不同實驗手段對劃痕修復前后的涂層性能進行表征,結果表明該涂層具有較好的自修復效果。除此之外,國內少見將形狀記憶自修復技術與微膠囊修復技術聯用的公開研究報道。


2 多機制協同自修復技術

 

近年來,將靶向修復、緩蝕劑修復和形狀記憶等不同技術綜合運用,進而實現協同自修復的研究取得新的突破。靶向響應技術研究的關鍵是針對特定因素的響應機制。利用可逆反應技術將動力驅動劑修飾到微膠囊上,使其具備針對特定因素可進行修復的特性。響應驅動劑本質是一些特殊的化學物質,主要作用是傳遞能量,它能夠吸收光子、電磁波等能量而被激發,又將吸收的能量迅速傳遞給另一組分的分子,從而引發反應。例如熱引發、紫外光引發、磁性引發、pH值引發等均可通過特定的動力驅動劑來實現。例如,外加磁場在聚合反應速度、聚合物分子量、分子量分布等方面對于多種單體的聚合反應產生了一定的影響,包括苯乙烯、丙烯氰、甲基丙烯酸甲酯等單體。Moad等將有機磁化學理論應用于高分子聚合,在0.5 T的外加磁場強度下進行苯乙烯的乳液聚合,得到了不同聚合度的聚合物;與沒有磁場合成的聚苯乙烯相比,分子量更大。Crall等通過在微膠囊芯材中懸浮磁性納米粒子,使微囊對磁場具有靶向響應特性;利用磁場引導微膠囊到達錐形預裂紋處,進而通過囊芯中修復劑的釋放實現良好的自修復效果。而通常可逆加成-斷裂鏈轉移 (RAFT) 聚合方法廣泛用于制備具有特定結構、分子量、特殊功能團的聚合物,是具有應用前景的高分子活性/可控聚合方法之一。


形狀記憶技術協同靶向微膠囊技術的聯合使用,可實現對多種尺寸涂層裂紋的修復。近年來文獻中報導借助微膠囊技術和形狀記憶技術的響應觸發機理不同,通過技術手段可實現兩種不同機制間的有效協同作用。Fan等通過實驗揭示了阿羅丁微膠囊與形狀記憶聚氨酯成膜物的協同作用機理。第一階段,在裂紋產生過程中,微膠囊囊壁會受到破壞,囊芯中的緩蝕劑首先與劃痕底部裸露的鋁合金基體進行反應,可形成鈍化氧化層,一方面第一時間對金屬形成保護,另一方面還可增強修復后的涂層與金屬間的結合力。第二階段,在上述基礎上,通過因素刺激,實現形狀記憶的表達,從而實現涂層成膜物的修復。上述兩種技術的協同作用即可實現對鋁合金表面涂層中大尺寸裂紋的有效修復,又能從根本上提高修復后涂層的防腐效果。


3 結論與展望


通過對涂層自修復技術進行歸類和總結,分析了目前包括液芯/中空纖維、微膠囊、可逆反應、涂層自修復技術及形狀記憶技術的研究現狀及發展趨勢。自修復涂層具有防腐效果好、維護成本低等優點,已成為智能涂層研究的熱點。自修復涂層的工程應用有望帶來防護涂層的長服役壽命。但目前依賴單一技術實現的涂層自修復仍存在不同程度的缺點,限制了涂層自修復技術的產業化應用。將多種自修復技術配合使用將成為國內外自修復涂層的發展趨勢。通過調控多機制間的有序表達和高效協同,可實現對大尺寸裂紋的反復修復,構建長效智能涂層體系,這對于延長涂層的服役時間、降低維護成本具有前瞻性意義。

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