冲蚀环境下环氧树脂-溶剂微胶囊自修复体系的自修复性能研究

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在我国西北地区的强风沙流环境中,强风所携带的砂流颗粒对混凝土结构迎风侧产生了严重的冲蚀磨损损伤,造成混凝土结构表面出现水泥剥落、微裂纹加速扩展的损伤现象,这些损伤会引起材料表面加速开裂、混凝土碳化等现象,降低了混凝土结构的耐久性及功能实用性,从而减少混凝土结构的使用寿命。如果在混凝土结构表面涂覆环氧树脂基防护材料,这样可以降低冲蚀环境中混凝土结构的冲蚀破坏,从而使混凝土结构的使用寿命得到提高。然而,普通的环氧树脂在风沙流的作用下会产生微裂纹损伤,渐渐会失去防护功能,如果能够赋予环氧树脂防护材料自修复特性,这样当其遭受冲蚀而产生损伤时,会产生自修复,恢复其防护功能,从而延长防护材料的使用寿命。因此开发具有自修复特性的环氧树脂冲蚀磨损防护材料具有重要的工程意义。本文首先制备了环氧树脂-溶剂微胶囊,并采用偶联剂KH550对环氧树脂-溶剂微胶囊进行了表面改性。而后将环氧树脂-溶剂微胶囊引入E51环氧树脂固化体系,制备了含有环氧树脂-溶剂微胶囊的环氧树脂涂层,首先在人为制造损伤(划伤)的情况下,定性评价了环氧树脂-溶剂微胶囊复合涂层的自修复能力及其影响因素;然后对微胶囊/环氧树脂自修复体系进行间歇性循环冲蚀实验,讨论微胶囊含量、冲蚀角度、冲蚀间隔对微胶囊自修复体系自修复特性的影响,从而证明该体系在冲蚀环境下具有多次循环的自修复特性。最后在微胶囊/环氧树脂自修复体系中加入了聚氨酯,研究了聚氨酯含量对该体系在冲蚀环境下的自修复特性的影响。论文通过实验得出了以下结论:(1)通过对环氧树脂-溶剂微胶囊的制备工艺的分析表明,当(E51:EPA)芯材比例为1:9,NH4Cl及间苯二酚分别为芯材质量的1.25 wt%,阿拉伯胶为芯材质量的0.5 wt%,乳化转速为1200 r/min,乳化时间为20 min,反应转速为700 r/min,反应时间为4 h,通过一步原位聚合法可以制备出形貌完整的环氧树脂-溶剂(E51-EPA)微胶囊,其平均粒径为63μm,芯材含量为74.6%,包覆效率为86.7%。微胶囊的红外光谱曲线分析表明,经KH550改性的微胶囊表面成功引入了胺基基团。TG-DSC曲线分析表明,经KH550表面改性的微胶囊的热稳定性得到提升,热稳定温度可达265℃。(2)实验结果表明修复温度、芯材比、修复时间和微胶囊含量是影响微胶囊/环氧树脂体系自修复性能的主要因素。在室温环境下,当环氧树脂-溶剂微胶囊的芯材比例为1:9,微胶囊含量为20 wt%及以上时,环氧树脂复合涂层受到人为划伤后能够实现自修复,表现出良好的自修复特性。(3)微胶囊/环氧树脂复合体系的冲蚀磨损间歇性循环实验结果表明,随着冲蚀次数(冲蚀颗粒质量)的增加,微胶囊/环氧树脂复合体系的冲蚀率逐渐降低,与纯环氧树脂体系的冲蚀率趋于一致,结合冲蚀后的邵氏硬度值变化以及冲蚀后的微观形貌分析可知,在冲蚀环境下,微胶囊含量为20 wt%的环氧树脂复合体系具有良好的多次自修复特性。(4)聚氨酯/微胶囊/环氧树脂复合体系的人为划伤实验和冲蚀磨损间歇性循环实验结果表明,聚氨酯的加入使复合体系在人为划伤和冲蚀环境下的自修复特性得到提升,冲蚀后的微观形貌分析表明,聚氨酯含量为5 wt%的聚氨酯/微胶囊/环氧树脂复合体系具有更好的多次自修复特性。(5)各复合体系在人为划伤和冲蚀环境下的自修复机理相似,其基本过程为:当复合体系遭受人为划伤或沙粒冲蚀时,复合体系中的环氧树脂-溶剂微胶囊会产生破裂,从而释放出微胶囊中的E51与EPA的混合液,由于毛细管作用,释放出的芯材会向裂缝处迁移,由于EPA的溶胀作用,环氧树脂基体中的多余固化剂二乙烯三胺迁移到微裂纹附近,从而与芯材中的E51发生交联固化反应,实现复合涂层的自我修复。
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