設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)智能自愈合材料作為工程涂料的基體樹(shù)脂是材料腐蝕防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。智能涂層是指涂層材料在服役過(guò)程中遇到機(jī)械劃傷或意外損害時(shí),材料自身能夠通過(guò)一定機(jī)理使損傷得到修補(bǔ),并恢復(fù)材料的機(jī)械性能和防護(hù)功能,被認(rèn)為是延長(zhǎng)工程涂料壽命和提升安全性的可靠途徑。天然生物結(jié)構(gòu)材料具有出色的性能以及高度適應(yīng)性,啟發(fā)和指導(dǎo)科學(xué)家合成新一代先進(jìn)功能材料。兼具卓越韌性和魯棒性的天然珍珠母就是典型代表之一,而人們獲得的仿珍珠母納米材料機(jī)械屬性優(yōu)、適應(yīng)性強(qiáng),但缺少必要的柔韌性和自愈能力。因此,將天然珍珠母的仿造理念與自愈合涂層構(gòu)建原理集成于人造材料系統(tǒng),是獲得高性能仿生復(fù)合涂層并兼顧有效自愈特性的可行途徑,同時(shí),構(gòu)建仿生涂層的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)被證實(shí)是實(shí)現(xiàn)超防腐性能涂層開(kāi)發(fā)的可靠技術(shù)。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護(hù)中心劉福春課題組根據(jù)仿生材料設(shè)計(jì)理念,將生物基環(huán)氧基質(zhì)與氧化石墨烯雜化物互相整合到聚合物涂層的設(shè)計(jì)過(guò)程中,獲得了新型可自愈、高性能仿珍珠生物基納米復(fù)合涂層。相關(guān)研究成果以Supramolecular engineering of nacre-inspired bio-based nanocomposite coatings with exceptional ductility and high-efficient self-repair ability為題,在線發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。
具體實(shí)施方案如圖1所示,科研人員將具有四重氫鍵的柔性側(cè)鏈引入腰果酚環(huán)氧聚合物網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了生物基自修復(fù)彈性體,再將含有異氰酸酯的脲基嘧啶酮(UPy-NCO)改性的氧化石墨烯(GO-UPy)嵌入到上述自修復(fù)型生物基預(yù)聚物體系當(dāng)中,最終通過(guò)體系中溶劑蒸發(fā)與預(yù)聚物交聯(lián)成膜過(guò)程獲得了機(jī)械性能優(yōu)良的仿生納米復(fù)合涂層?;诘湫偷念愓渲閷咏Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建,仿生涂層顯示了優(yōu)異的柔韌性(617 %)和極限拉伸強(qiáng)度(5.1 MPa),實(shí)現(xiàn)了涂層實(shí)用修復(fù)性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。得益于樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的高密度四重可逆氫鍵作用,該涂層材料具有室溫高效自愈能力(10 min),有效延長(zhǎng)了涂層的服役壽命。此外,氧化石墨烯納米片賦予了仿珍珠納米復(fù)合涂層出色的屏蔽腐蝕介質(zhì)滲透能力。
圖1.自修復(fù)仿生納米材料的構(gòu)建策略示意圖。a、GO與生物基環(huán)氧樹(shù)脂的預(yù)處理和混合路線;b、通過(guò)攪拌分散機(jī)獲得的高分子納米材料的懸浮體系;c、溶劑蒸發(fā)得到的珍珠狀納米復(fù)合材料;d、生物基聚合物網(wǎng)絡(luò)和具有超分子四重氫鍵的UPy的結(jié)構(gòu)圖;e、人造珍珠層的結(jié)構(gòu)和超分子氫鍵締合的原理
圖2.仿生納米復(fù)合涂層:橫截面顯微示意圖(a)SEM和(b)TEM;(c)Stress-Strain曲線;(d)在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡45天的電化學(xué)EIS圖;(e)防腐蝕機(jī)制與自修復(fù)原理示意圖