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香港科技大学杨晶磊教授和唐本忠院士合作:巧妙构建自修复-自预警双功能防锈涂层
2020-02-02  来源:高分子科技

  自然界中的生物对自身损伤具有自修复和自预警的功能,比如我们的皮肤在受伤时会通过淤青或者流血对受伤的位置做出警示,同时又能自行修复受伤的组织。对于合成材料,自预警功能可以指示材料损伤位置,避免相同位置再次受损或者为人工修复提供有效的引导;自修复功能可以自动修复受损区域,从而延长材料的使用寿命。科学家们从生物界获得灵感,在过去十几年里,对自修复材料或自预警单功能材料进行了大量的研究。但是,对于同时具备自修复和自预警双功能材料的研究并不多。

  近期,香港科技大学杨晶磊教授联合唐本忠院士共同报道了一种简便的策略来巧妙构建具有自修复和自预警双功能的防锈涂层。如图1所示,研究人员通过微胶囊技术包覆了含有聚集诱导发光分子(AIEgen)的六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶液,再将这种单一微胶囊填充到聚合物防锈涂层中,即可赋予聚合物涂层自修复和自预警双功能。当聚合物涂层发生损伤时,产生的裂缝会破坏并穿过微胶囊,使其液体芯材流入裂缝位置。由于HDI能够自发地与水或水汽反应生成聚脲(PU),新生成的PU聚合物会填充并修复裂缝,阻隔水对金属基材的腐蚀,故该涂层具有自修复功能,能够延长其防锈使用寿命。由于AIEgen在溶液状态下不发荧光或者发微弱荧光,而在固体聚集态下其荧光显著增强,所以能够使修复后(聚合后)的位置发强荧光,起到指示作用。该策略巧妙地结合了HDI和AIEgen各自的特殊性质,成功在单组分的微胶囊中实现双重功能。其中,HDI既起到修复剂的作用,又能充当AIEgen的溶剂,因此无需添加任何有机溶剂,大大简化了材料组成和制备工艺。

图1. 微胶囊和双功能防锈涂层机理示意图

  为了验证该策略的可行性,研究人员以四苯基乙烯(TPE)为例子,对比了只含HDI的微胶囊和含TPE/HDI溶液的微胶囊在完整状态和破坏状态下的发光行为。由图2可以看出,完整和破坏的HDI微胶囊,以及完整的TPE/HDI 微胶囊都不发光,只有破坏的TPE/HDI微胶囊发出明显的蓝色荧光。通过荧光显微镜可以进一步证实,单个完好的TPE/HDI微胶囊不发荧光,而当其被破坏后才发蓝色荧光。这些实验结果表明:含有TPE/HDI的微胶囊具有良好的损伤自预警功能。

图2. 完整状态和破坏状态微胶囊的发光对比 (图中1和3: 静态微胶囊,2和4:破坏态微胶囊)

  研究人员进一步对TPE/HDI微胶囊在聚合物防锈涂层中的应用进行了探究(图3)。对于纯环氧树脂涂层,金属基底在划痕位置发生明显锈蚀;而对于填充了微胶囊的环氧树脂涂层,金属基底在划痕位置没有生锈的迹象。通过SEM表征发现,在填充了微胶囊的环氧树脂涂层中,其划痕已经被新生成的聚合物所修复,所以能够有效地防止金属基底生锈。并且,在紫外光灯照射下,只有含TPE/HDI微胶囊的环氧涂层的划痕位置发蓝色荧光。荧光显微镜照片显示,在划痕区域只有被破坏的TPE/HDI微胶囊才发蓝色荧光。这个研究结果充分证明了:通过简单地在聚合物涂层中加入含有AIEgen/HDI溶液的单一微胶囊,即可制备出具有自修复和自预警双功能的智能涂层。研究人员随后采用发黄色荧光的TPE衍生物(DM-TPE-BMO)对TPE/HDI微胶囊进行了改进研究,不仅拓展了AIEgen/HDI微胶囊在自发蓝光聚合物基体中的应用,而且能够有效地降低了AIEgen分子的使用量,只需要使用含有0.05 wt% DM-TPE-BOM的微胶囊就能起到明显的指示作用。

图3. 自修复和自预警双功能的聚合物防锈涂层

  总的来说,该工作提供了一种简单、有效和经济的策略来制备具有自修复和自预警双重功能的智能防锈涂层,有望在海洋腐蚀防护中得到实际应用。相关结果近期发表在ACS Applied Material and Interfaces上,文章第一作者为香港科技大学博士生陈树生,共同通讯作者为香港科技大学唐本忠院士杨晶磊教授

  论文链接:

  A Facile Strategy to Prepare Smart Coatings with Autonomous Self-Healing and Self-Reporting Functions.Shusheng Chen, Ting Han, Ying Zhao, Wenjun Luo, Zhong Zhang, Haibin Su, Ben Zhong Tang*, and Jinglei Yang*, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019. 

  

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(责任编辑:xu)
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