自 修 复 智 能 涂 料


涂料,在保护和装饰物体表面上面发挥着重要的作用。

可以说是甘于平凡而又举世无双。

21世纪,是一个创新、改变、发展的时代,

是一个寻求智能的时代。

智能涂料也随之出现,虽然目前技术仍未成熟,

但是可以预料到,一旦开发成功,必将冲击着涂料市场。


智能涂料介绍

       智能涂料内部具有刺激-反应机制,它在受到外界刺激时可以自发产生反应。

       当出现外部刺激时,材料就会接受信号,并且,这个信号会引起一系列的物理或者化学变化过程。在涂料里引发反应并且使涂料改性的信号就被称之为内部刺激。在腐蚀诊断和自我修复中就能观察到这个过程。当在涂层出现划痕和裂缝,或者温度、PH值和盐度发生变化时,就能快速产生反应。

机理介绍

微胶囊修复机理

      以胶囊为基础的修复,是将自修复微胶囊埋植于基体中,当基体产生裂纹,基体内部的微胶囊受外力作用破裂释放出芯材,在虹吸作用下芯材布满于裂纹处,发生反应完成自修复过程。

      其中一个例子是,以脲醛树脂包覆修复单体二环戊二烯作为微胶囊,基体中加入格布拉催化剂,当发生裂纹时,在格布拉催化剂催化下双环戊二烯进行开环易位聚合反应(如下图),从而修复裂纹。

      与之相类似的还有,中空纤维的自修复。其机理是,在中空的纤维内加入修复剂或者固化剂,将该中空纤维埋于聚合物基体中,形成网络系统,当材料受到裂纹时,中空纤维中的修复剂渗入裂缝,进行修复。


 “拉链”修复机理

       “拉链机理”是基于一种自修复聚合物的反应机理。这种自修复聚合物由具有异氰酸酯端基的甲基丙烯酸甲酯单体和另一种含有氟基团的甲基丙烯酸六氟丁酯共聚而成。当涂层受到破坏时,表面氟隔离层打开,内部的异氰酸酯基团暴露于空气中,此时,裂痕两边的异氰酸酯基团在空气中的水汽的作用下,发生偶合反应,从而达到自修复的作用。

       裂缝两端的异氰酸酯基团,类似于拉链两边的固定齿,空气中的水汽相当于拉链的拉头,随着水汽与异氰酸酯反应,裂痕会变得越来越窄,就类似于两边的拉链齿合在一起,故称之为“拉链机理”。


 相分离的单体缩聚反应

       这种机理是基于相容性较低的聚二甲基硅氧烷(HOPDMS)与聚二乙氧基硅氧烷(PDES)混合时会产生相分离,在没有催化剂的情况下,不会发生缩聚反应。将HOPDMSPDES分散于乙烯酯基质中,并将有机锡催化剂由聚氨酯包裹起来做成微胶囊嵌入于乙烯酯基质中,当受到外力破坏时,微胶囊破裂释放出有机锡催化剂,在有机锡催化剂作用下,HOPDMS和PDES就会快速进行缩聚反应,从而生成聚合物,达到自修复的作用。


 主动-被动机理

       主动-被动机理是指形成一层可以减缓腐蚀反应的钝化层(主动机理),并且在界面形成肖特基势垒消耗产生的电子。而响应的涂层作为另一层阻挡层,能阻挡腐蚀性电子渗透到金属表面(被动机理)。



 可逆反应修复机理

       可逆反应修复机理是利用含有能发生Diels-Alde可逆反应的单体(比如呋喃或者马来酰胺等),通过DA反应形成高分子,加热后,会分解为它的单体形式,当冷却或者其他类似于先前合成的条件下,反DA反应会将高分子恢复到原来的形态。当材料出现局部裂纹时,通过加热到一定温度就能实现DA的可逆反应,从而实现材料的多次重复修复。


应    用

       目前,主要应用于金属防腐涂层,汽车涂料,3C产品(计算机,通信,消费类电子产品)等上面。国内已有多家大型卷材公司推出了无铬钝化涂层产品,比如宝钢集团推出了一系列的无铬钝化型卷材产品,其中就应用了无铬钝化自修复技术。并且已有专利公开了金属防腐涂料的自修复微胶囊及其制备方法。日产公司与日本立邦公司合作开发了一项车体擦伤复原涂料技术,这种技术就是划痕自修复功能。日产汽车公司发布的一款iPhone手机壳,它使用的是ABS材质和划痕自修复涂层,当手机壳被轻微划伤时,很快便能自我修复。


       不过,目前只有少数公司有自修复产品问世,而且由于产品性能存在缺陷,并没有推广使用。对于处于恶劣环境下,保养困难并且需要较长使用寿命的涂层,自修复智能涂料具有广泛的应用前景。


       这仍是一个全新的技术,目前对该技术的理论研究尚不完善,大部分工作仍停留在研究阶段,距产业化还有一段距离,需要进行大量的试验和研究。



2017年11月22日

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