自修复(Self-Healing)涂层材料

刘登良

    (海洋化工研究院，山东青岛 266071)
 
 
    摘要；介绍了自修复或自愈合涂层材料的基本概念、涂料组成和作用原理及其应用领域。

    关键词；自修复；自愈合；微胶囊；中空纤维

    0 前 言

    所有的高装饰性涂料在极端腐蚀性环境中应用的重防腐涂层材料在受到外力损伤、划伤或开裂时，具有一定的自修复能力，从而延长其使用寿命，此是用户和涂料供应商长期追求的目标。

    Self-Healing ，确切地讲是自愈合，即源于医学和生物的自愈合能力，将其用于材料科学具有仿生的含义。 Self-Repairing ，即自修复涂料包含更广义的内涵，即涂层产生裂缝后能自动修复裂缝，防止腐蚀介质的渗入并与腐蚀环境隔离，防止底材进一步腐蚀 ; 或者能自动修复划痕，保持高装饰性涂层表面的美观及光学特征。

    1 装饰性涂料的耐划伤性和自修复功能

    高装饰性的综合性能表现在硬度、光泽、耐大气老化、耐介质 ( 洗涤剂和酸雨 ) 等方面，汽车罩光漆和家具面漆还对耐划伤性有极高的要求，因为它们的表面经常受到洗刷、机械磨损和划伤。解决耐划伤性历来有两条截然不同的技术途径：一是提高涂层的硬度和耐磨性，其代表是高交联密度的聚氨酯涂层和有机改性的硅氧烷涂层，但脆性和机械性能差 ; 二是柔韧的橡胶涂层，它们具有优良的回弹性即自修复功能，然而其硬度和光泽难以满足要求。

    近十多年来，以 Bayer 材料科技和英国 HMGPaints 为代表的科学家致力于自修复汽车罩光涂料相关课题的开发，即特殊分子结构的丙烯酸聚氨酯，其关键在于保持较高 T g 即玻璃化温度，在 60 ～ 70 ℃时仍具有一定的划痕的“回流”特性即自修复功能的同时，仍满足其他物理机械性能的要求。

    2 重防腐领域使用的自修复涂料

    自修复涂料的应用范围很广，尤其是在需要长寿命、难以维修保养的且处于严酷腐蚀环境的涂层。例如，风能发电机的塔身、叶片 ( 欧洲每年维修费用数亿欧元 ) ，海洋钻井平台，高级游艇等。开发自修复涂料具有巨大的经济效益和发展空间，从 20 世纪 90 年代后期开始已成为欧美重点表面研发技术之一。

    2.1 防腐蚀涂料的原理和自修复能力

    涂料防腐蚀依靠屏蔽、金属表面钝化（如红丹、铬酸盐及磷酸盐等防腐颜料与金属表面作用产生钝化层）、富锌涂料的牺牲阳极以及缓蚀剂等基本原理。其中大多数防锈颜料一旦涂层开裂暴露出金属底材后具有一定的自修复功能，防止腐蚀蔓延，如颜料释放铬酸盐或磷酸根促使金属表面钝化，从而达到临时性的保护。以高模数硅酸钾 IC 53l 为代表的水性无机富锌涂料也具有很好的自修复能力。当进行盐雾实验时，十字划线板可以观察到腐蚀仅限于划痕的 0.5 mm 之内，腐蚀不会扩展。但是涂层裂痕本身不能修复，难以达到长期保护的目标，所以，严格意义上讲还不是真正的自修复涂料。

    2.2 防腐蚀涂层的自修复原理

    涂层自修复的核心是成膜物在涂层裂缝时能自动流出、填充并固化后形成相对平整并有良好屏蔽性的修复涂层。