金属防腐自修复涂料的发展

2021-01-07 11:33:35 作者：本网整理来源：粉末平台分享至：

摘要：金属表面涂覆防腐涂层是目前普遍采取的用于保护金属制品腐蚀的有效措施。由于各种环境因素或者涂层自身性能特点，涂层表面在施工过程中难免会出现一些细小的肉眼看不到的微裂纹，这些微裂纹暴露在空气中就会不断蔓延扩大，造成涂层从基材上剥离而降低涂层的保护寿命。因此，具有一定自修复能力的智能型涂料得到了学术界以及工业界的广泛关注。本文从金属防腐自修复涂料的重要性、发展现状、涂料种类以及未来发展方向进行了阐述。重点对微胶囊型自修复涂料、高聚物型自修复涂料和负载缓蚀剂型自修复防腐涂料的自修复机理进行了探讨。并指出将来自修复智能防腐涂料的发展重点应该是：1）简化工艺过程，提高可操作性；2）研究室温自修复的高聚物型智能涂料；3）扩大天然材料在防护涂料方面的应用。

自修复防腐涂料的发展现状

据Alicja[1]等人统计，自上世纪80年代到2015年期间，出版了关于自修复保护涂料的文献报道就有542篇，具体分布情况如图1所示，从图中显示自2010年至2015年期间关于自修复涂料的文献数量呈现快速增长的趋势。同时把研究自修复涂料的全球分布以及欧洲分布情况进行了统计，统计结果如图2和图3所示。图2和图3显示结果表明自修复涂料在全球分布来看亚洲和欧洲研究的比较多，欧洲分布情况显示出德国研究的偏多。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

金属防腐自修复涂料的种类

微胶囊型自修复涂料

White[2]等人设计了典型的微胶囊自修复复合材料系统，具体设计思路如图4所示。该系统是将修复剂包裹在微胶囊中，然后将微胶囊负载到含有能够聚合该修复剂的催化剂的复合材料结构中。具体自修复过程是：a）当涂层发生损坏产生了裂纹；b）裂纹造成微胶囊破裂，释放出修复剂；c）修复剂与催化剂接触后发生聚合反应将裂纹修复。

图4 自动修复概念示意图

利用微胶囊型技术原理制备自修复防腐涂料的方法得到了广泛的研究。各地学者采用不同的合成方法，选用各种修复试剂制备了自修复防腐涂料。Cotting等人[3]以辛基硅醇和三价铈离子为核材料制备了聚苯乙烯微胶囊，然后将微胶囊掺杂到环氧树脂中制备了自修复环氧涂料。采用电化学阻抗谱（EIS）、扫描振动电极技术（SVET）和盐雾室（SSC）的加速腐蚀试验研究了该体系的自修复效果。对于具有人工缺陷的样品，由于在0.05M NaCl溶液中浸泡120小时后，由于抑制剂的释放，微胶囊配方涂层的性能优于未经微胶囊配制的涂层。SVET结果与EIS结果吻合良好，显示了涂层样品中人工缺陷的腐蚀抑制，表现出了显著的自愈效应。盐雾室中的加速试验表明，在暴露144小时后，用含有抑制剂的微胶囊配制的涂层，腐蚀产物和擦伤周围的起泡性较小。还有一些相关文献[4-5]采用原位聚合法制备了含修复剂的微胶囊自防腐环氧涂料。对涂层的防腐以及自修复效果进行了研究。结果表明，经微胶囊破碎后，裂纹得到了有效的愈合。

微胶囊型自修复涂料理论研究比较成熟，但是在工业使用过程中存在一些难点，含有修复剂的微胶囊含量少了起不到修复效果，含量多了影响涂层的机械性能。而且不但在生产微胶囊涂料过程中需要严格控制，就是在施工过程中也需要特别注意。

高聚物型自修复防腐涂料

用于高聚物型自修复防腐涂料的高聚物包括热固性聚合物、热塑性聚合物、弹性体、形状记忆性聚合物、超分子聚合物、复合聚合物等等。高聚物型自修复防腐涂料的修复机理主要是利用特定结构元素的可逆性。这些聚合物分子结构中的可逆共价键或者弱的非共价键相互作用来达到自修复的目的[6-8]。Natascha[9]等人利用狄尔斯-阿尔德（Diels-Alder）反应研究了基于可逆共价键的自修复涂料。狄尔斯-阿尔德反应实际上是共轭二烯烃和亲二烯烃的环加成反应。其反应机理如图5所示，并利用可逆反应机理对涂层的自修复过程采用电镜扫描的方法进了记录，具体过程如图6所示。其中a）交联固化后的涂膜；b）加热前的划痕；c）在160℃条件下加热1min后的划痕；d）在160℃条件下加热3min后，划痕消失。我们可以看到出现划痕的涂膜经过加热后重新恢复成了完成的涂膜。实现了自修复的目的。

图5 狄尔斯-阿尔德反应机理

图6 自修复过程的SEM

Marcel[10]等人利用超分子相互作用的原理研究了自修复聚合物涂料。超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，形成复杂的，有组织的聚集体。超分子分子间的作用力是非共价键形式，包括静电作用、范德华力、氢键、 π-π键等。尽管π-π键之间的相互堆积的作用力比离子键或氢键弱，但是在非亲水的环境下，它是非常重要的分子间的相互作用。一些用于自修复系统的典型含π-π键的材料如图7所示。其中a）代表含有2-4个π-π相互堆积的萘二酰亚胺聚合物（蓝）和芘或者钳型芘衍生物（红）形成的复合物。b）代表双钳型芘封端的聚酰胺的结构式。

图7 π-π键相互堆积结构图

热塑性聚乙烯甲基丙烯酸酯共聚物[11-12]作为弹性碰体的自修复涂料研究的比较多。弹性体自修复过程如图8所示。当涂膜遭到撞击发生破裂后，弹性体受热重新恢复原来形状[13]。

图8 弹性体自修复涂膜自修复示意图

高聚物型自修复涂料在生产和施工过程中不像微胶囊自修复涂料那么不好控制。但是高聚物型自修复涂料的机械性能偏低，涂膜硬度和耐磨性能偏低，而且在自修复过程中需要加热才能完成。

负载缓蚀剂型自修复涂料

加入金属缓蚀剂是金属防腐中常用的方法。六价铬虽然能够有效地抑制金属基材的腐蚀，但其毒性原因不符合环保要求。近年来发展了一些环境友好型的缓蚀剂，如铈、钼酸、磷酸以及有机缓蚀剂，这些能够有效地替代六价铬。缓蚀剂虽然能够有效地在金属表面形成一层保护的钝化膜起到抑制金属进一步腐蚀的作用，但是由于缓蚀剂与涂层的相容性差，如果直接加入到涂层中会影响防腐效果。而且由于化学键的相互影响，使缓蚀剂均匀地分散到涂层中也是相当困难的。为了解决这一问题，许多学者设计出了一些列的解决方法。

Karan等[14]人研究了将缓蚀剂负载到高岭土纳米管结构中，然后将该物质掺杂到环氧涂料体系中，通过纳米管释放缓蚀剂抑制阳极活性，从而防止涂层进一步腐蚀来达到抑制涂层腐蚀。加入不同的负载缓蚀剂的高岭土纳米管，通过扫描振动电极技术（SVET）和电化学阻抗谱（EIS）分析。对涂层缺陷的腐蚀动力学进行了研究。结果表明，由于纳米管释放缓蚀剂的作用，涂层的抗腐蚀能力得到了明显改善。Yuanwei L.[15]等人研制了一种新的防腐自修复涂料，该涂料是将负载了钨酸钠缓蚀剂的滑石粉加入到环氧树脂涂料中制备成防腐涂料，通过使用电化学阻抗谱和盐雾试验的方法对涂层的自修复能力进行了测试，显示了很好的抗腐蚀效果。

将缓蚀剂负载到多孔结构的材料中，然后再加入树脂中制备的自修复涂料解决了微胶囊型自修复涂料的生产和施工复杂以及高聚物型自修复涂料的弱的机械性能的问题。不过该涂料在自修复过程中需要缓蚀剂从多孔结构中释放出来以达到修复的目的，这样就会收到缓蚀剂释放能力的限制，需要在修复过程快速释放已达到满意的效果。

自修复金属防腐涂料的发展方向

利用自修复的性能延长防腐涂层的使用寿命，这种方法得到了学术界和工业界的广泛兴趣。但是距离象生物一样理想的自修复防腐涂料还有一定的差距。今后在自修复防腐涂料的发展方面如下重点：

1）简化工艺过程，提高可操作性。从实际应用角度出发，生产配方以及生产及施工工艺越简单，实际应用价值越高，使用越广泛。比如现在普遍研究的微胶囊自修复系统就存在生产或者使用过程中微胶囊提前破裂而达不到自修复的目的。

2）研究室温自修复的高聚物型智能涂料。利用高聚物的某些特性实现自修复目的的复合涂料，自修复过程普遍需要加热升温的过程，一般都要在80℃～160℃左右的温度下才能达到自修复。这样的自修复没有达到自发进行的目的。所以研究室温下就能够达到自修复目的的防腐涂料是具有工业实用价值的未来发展的趋势。

3）扩大天然材料在防护涂料方面的应用，环境保护意识逐渐增强的条件下，天然材料是比较理想工业原材料，比如天然的高分子材料（包括纤维、壳聚糖、天然橡胶等）、天然矿物纳米材料等已经在防腐涂料中得到了广泛应用。不断研究发现天然材料的特性，并把其应用在自修复防腐涂料体系中是一项利国利民的重要事业。美国专利US9683109 B2[16] 介绍了一种自修复防腐涂料，该涂料就是采用壳聚糖、二氧化硅粒子和环氧树脂合成聚吡咯导电复合物。通过测试重量损失以及盐雾试验证明负载2.0%的壳聚糖聚合物的环氧涂层在高的腐蚀环境中具有优异的抗腐蚀效果。

参考文献

[1] Alicja S. ,Michael B. B., Development of self-healing coatings for corrosion protection on metallic structures, Smart Materials and Structures, Volume 25, Number 8, Jul. 15,2016

[2] White S.R.，Sottos N.R.，Geubelle P.H.，Autonomic healing of polymer composites, Nature, March 2001.

[3] Cotting F., Aoki I.V., Smart protection provide by epoxy clear coating doped with polystyrene microcapules containing silanol and Ce（Ⅲ）ions as corrosion inhibitors,Surface and coating technology,Vol.303,2016.

[4] Jadhav R.S., Hundiwale D.G. ,Mahulika P.P. , Synthesis and characterization of phenol-formaldehyde microcapsules containing linseed oil and its use in epoxy for self-healing and anticorrosion coating, Journal of applied polymer science, Vol.119,2011.

[5] Samadzadeh M., Boura S. H., Peikari M., Ashrafi A., Kasiriha M. , Tung oil: An autonomous repairing agent for self-healing epoxy coatings, Progress in organic coatings, Vol.70,2011.

[6] Yan X., Wang F., Zheng B.,Huang F., Stimuli-responsive supramolecular polymeric materials, Chemical society reviews, 41,2012.

[7] Burattini S.,Colquhoun H.M., Fox J.D.,Friendmann D.,Greenland B.W. etc, A self-repairing supramolecular polymer system:heal-ability as a consequence of donor-acceptor π-π stacking interactions, Chemical society reviews,2009.

[8] Kalista S.J., Ward T.,Soc J.R.,Thermal characteristics of the self-healing response in poly（ethylene-co-methacrylic acid） copolymers, Interface, 4,2007.

[9] Natascha K., Stefan B., Martin D.H., Ulrich S.S., Self-healing polymers based on reversible covalent bonds, Advance in polymer science,273,2015.

[10] Marcel E., Diana D., Stefan B., Wolfgang H. B.,Martin D. H., Ulrich S.S., Intrinsic Self-healing polymers based on supramolecular interactions state of the art and future directions, Advances in polymer science,273,2015

[11] Stephen J. K.,Thomas C. W., Self-healing of poly（ethylene-co-methacrylic acid） copolymers following ballistic puncture,Researchgate 2018.

[12] Stephen J. K.,Thomas C. W., Thermal characteristics of the self-healing response in poly（ethylene-co-methacrylic acid） copolymers.

[13] Martin D.H., Sybrand van der Z., Ulrich S.S., Self-healing materials,P84-85,2015

[14] Karan T.,Khanna,S. R.,Siva B.,Smart Anti-corrosive Self-healing Coatings Using Halloysite Nanotubes as Host for Entrapment of Corrosion Inhibitors, Corrosion ＆Prevention,2015.

[15] Yuanwei L.，Yu Ch.，Anticorrosion performance of epoxy resin coating incorporating talcum powder loaded with sodium tungstate, International journal of electrochemical science. 13,2018.

[16] Dhawan S. K., Anoop K. S., Self Healing Anti Corrosive Coatings and a Process for the Preparation thereof,US9683109B2,Jun.20,2017.

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。