形状记忆成膜物复合微胶囊的协同自修复机制研究

论文摘要

涂料因施工简单、成本较低、效果优异、易于维护等优点广泛用于海洋工程的防腐。海洋工程装备服役过程受外部环境和作业过程中机械作用影响,表面涂层不可避免地会受到损伤,若不及时修复则会使金属基材和部分非金属零部件发生腐蚀,影响结构强度和可靠性,不仅会造成巨大的经济损失,甚至导致灾难性事故的发生。涂装有自修复功能的防腐涂料是解决这一问题的有效途径。目前,针对涂层自修复技术的研究有很多,但由于受修复机制和作用原理的限制,单一修复技术应用于涂层自修复时,通常会有一定的局限性,一定程度上限制了自修复涂料的修复效果和实际修复效果。本论文综合采用微胶囊修复技术和形状记忆修复技术的优势,借助其响应触发机理不同的原理,通过技术手段实现两种不同机制间的有效协同作用,实现对多种尺寸涂层裂纹的修复。主要开展以下研究:（1）研究采用溶液聚合法制备用于涂层自修复的微胶囊方法;通过调控囊芯/囊壁的选材及合成工艺参数,实现微胶囊尺寸的控制和工艺优化;在此基础上,借助化学接支和物理共混的方式探究改性技术,实现分别针对热场、磁场、电场、H+等不同因素的动力驱动剂,使微胶囊具备靶向作用特性。综合考虑芯壁质量比、乳化剂种类、乳化剂质量分数及酸化时间等因素对形成的微胶囊的包覆率、平均粒径等性能影响的基础上采用最优配方进行合成。研究结果表明,当芯壁质量比（2:1）、乳化剂种类及质量分数分别是0.8%的阿拉伯胶、搅拌速率为1500 r/min时,制备的微胶囊分散性较好,粒径较小,囊壁较薄,且微胶囊表面粗糙,利于在基体中分散。微胶囊的热稳定性能较好。（2）采用乳液聚合法合成具有形状记忆特性的聚氨酯成膜物;根据实际服役环境,分别选择不同的软段/硬段和交联剂等单体,通过调控软硬段含量及制备工艺参数实现适合不同环境的形状记忆成膜物;借助红外光谱、失重分析、形状记忆性能、核磁共振谱等,研究了硬段含量对形状记忆聚氨酯结构与性能的影响。研究发现线型形状记忆聚氨酯以软段的“结晶-熔融”相转变为形状记忆机理的。所以,软段在室温条件下具有良好的结晶性是其具有形状记忆功能的必要条件之一,硬段含量为3040%时形成的硬段微区,能够有效起到物理交联点的作用。通过红外光谱、固含量测定、形状记忆性能等一系列表征手段对合成的形状记忆聚氨酯进行性能表征,试验结果表明当硬段含量为3040%时,形状记忆性能及各项性能最佳。深层次揭示了形状记忆成膜物的设计思路和合成方法。（3）通过物理共混的方式将靶向修复微胶囊与形状记忆成膜物进行负载,以此为主体搭配其他颜填料制备自修复智能涂料,利用不同修复技术的触发因素差异特点,实现不同修复技术的有序表达、协同修复和优势互补,分别提出“先钝化-后回复”和“钝化同时回复”两种协同自修复机制;同时从物理修复和化学修复两种角度实现对大尺寸划痕的修复,使得整体修复率可达85%以上,并解决修复后涂层与基体结合力不强的问题;引入感应自加热和特定因素响应机制,拓展了自修复涂层适用环境范围。,在实验室测试和外场暴露试验中均性能较为优异,具有一定推广应用价值,为后续高性能智能自修复涂层的发展提供理论基础。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 国内外涂层自修复技术研究现状
•     1.2.1 自修复材料的概念
•     1.2.2 自修复材料的类型
•     1.2.3 液芯/中空纤维自修复技术
•     1.2.4 微胶囊自修复技术
•     1.2.5 可逆反应自修复技术
•     1.2.6 形状记忆自修复技术
•     1.2.7 靶向反应技术
•   1.3 本课题主要研究内容
•   1.4 创新点
• 第2章 实验方案
•   2.1 基本思路
•   2.2 技术路线
•   2.3 实验设备及表征手段
• 第3章 微胶囊自修复关键技术研究
•   3.1 微胶囊的概念及结构
•     3.1.1 囊芯
•     3.1.2 囊壁
•   3.2 微胶囊合成方法
•   3.3 微胶囊制备工艺研究
•     3.3.1 实验选材
•     3.3.2 实验准备
•     3.3.3 实验原理及流程
•     3.3.4 试验过程
•   3.4 靶向自修复微胶囊合成工艺优化
•     3.4.1 芯壁投料比对微胶囊合成的影响
•     3.4.2 乳化对微胶囊合成的影响
•     3.4.3 酸化对微胶囊合成的影响
•   3.5 微胶囊靶向改性技术研究
•     3.5.1 缓蚀剂型微胶囊的合成
•     3.5.2 磁响应型微胶囊的合成
•     3.5.3 水敏型微胶囊的合成
•     3.5.4 感应自热型微胶的合成
•   3.6 微胶囊性能表征测试
•     3.6.1 体视显微镜观测（OM）
•     3.6.2 扫描电镜测试（SEM）
•     3.6.3 电化学交流阻抗测试（EIS）
•     3.6.4 红外光谱分析（FTIR）
•     3.6.5 热重分析（TGA）
•     3.6.6 靶向性能测试分析
•   3.7 小结
• 第4章 形状记忆自修复关键技术研究
•   4.1 聚氨酯分子合成配方设计
•     4.1.1 软段选材
•     4.1.2 硬段选材
•     4.1.3 扩链剂选材
•     4.1.4 成盐剂选材
•     4.1.5 催化剂选材
•   4.2 合成试验
•     4.2.1 合成机理
•     4.2.2 原材料准备
•     4.2.3 合成试验流程
•   4.3 性能表征
•     4.3.1 电化学性能表征
•     4.3.2 红外表征
•     4.3.3 固含量测定
•     4.3.4 核磁测试
•     4.3.5 形状记忆性能测试
•   4.4 小结
• 第5章 多机制协同自修复机制研究
•   5.1 缓蚀剂微胶囊复合热敏聚氨酯自修复过程原位表征
•     5.1.1 裂纹修复过程表征
•     5.1.2 电化学性能表征
•     5.1.3 微区电化学性能表征
•     5.1.4 协同自修复机理分析
•   5.2 感应自加热型涂层自修复过程原位表征
•     5.2.1 裂纹修复过程原位表征
•     5.2.2 电化学阻抗性能表征
•     5.2.3 微区电化学性能表征
•     5.2.4 协同自修复机理分析
• 第6章 复合自修复涂层体系性能研究
•   6.1 复合涂层体系制备
•     6.1.1 预固化温度及微胶囊含量对自修复涂层性能影响
•     6.1.2 形貌表征
•     6.1.3 力学性能表征
•   6.2 涂层常规性能研究
•     6.2.1 涂层延展性能
•     6.2.2 涂层厚度
•     6.2.3 透水性能
•     6.2.4 附着力性能
•     6.2.5 耐磨性能
•   6.3 涂层防腐性能研究
•     6.3.1 耐碱性浸泡性能
•     6.3.2 耐酸性盐雾性能
•     6.3.3 耐冲击性能
•     6.3.4 人工紫外老化性能
•     6.3.5 光色度和色差变化
•   6.4 实海挂板试验
•   6.5 小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 樊伟杰

导师: 李伟华,王巍

关键词: 形状记忆,微胶囊,靶向,协同自修复

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

分类号: P755.3

总页数: 121

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