CN112409924B - 一种自修复环氧树脂涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自修复环氧树脂涂料及其制备方法，属于高分子材料技术领域，针对微胶囊自修复方法在涂层或是聚合物基体中添加微胶囊后会降低基体或涂层的机械性能的问题，发明将环氧树脂通过一系列反应生成表面接枝氨基的环氧树脂，再将其和海藻酸钙基微胶囊与EDC反应后生成的O‑酰基异脲中间体混合，反应得到自修复的环氧树脂涂料，通过形成酰胺键使海藻酸钙基微胶囊在环氧树脂中均匀分散，增加材料的力学性能所制备的自修复的环氧树脂能够实现损伤部位的自我修复，减缓外力、环境等作用下的老化和失效问题，提高使用安全可靠性，增加材料寿命。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域，特别涉及一种自修复的环氧树脂涂料的制备方法。
背景技术
环氧树脂是有机硅的一种,因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
包括环氧树脂在内的聚合物材料在使用过程中，由于外力、环境等作用,老化和失效问题严重，特别是在材料表面和内部不可避免会产生裂纹，使材料的性能下降、寿命缩短。若能够使聚合物材料的微裂纹自动修复，势必能够延长材料的使用寿命，提高使用安全可靠性。
受生物自修复特性的启发，科学家将自修复概念引入到聚合物材料中，模仿生物体损伤修复的原理，使材料产生的微裂纹自动修复。
微胶囊自修复方法是目前自修复涂层领域应用最多的方法，将含有修复剂的微胶囊预先埋植于聚合物基体或涂层中，当基体或涂层材料受到损伤时，胶囊破裂并释放修复剂，当修复剂遇到基体或涂层中的催化剂时发生交联固化反应，修复裂纹面，实现损伤部位的自我修复。
发明内容
由于目前的微胶囊自修复方法在涂层或是聚合物基体中添加微胶囊后会降低基体或涂层的机械性能，因此本发明提出一种自修复的环氧树脂涂料的制备方法以解决该问题。本发明将环氧树脂通过一系列反应生成表面接枝氨基的环氧树脂，再将其和海藻酸钙基微胶囊与EDC反应后生成的O-酰基异脲中间体混合，反应得到自修复的环氧树脂涂料，本方法可以使海藻酸钙基微胶囊在环氧树脂中均匀分散，增加环氧树脂的力学性能，使环氧树脂在产生微裂纹后能够自修复。
为了实现上述目的，本申请采用如下方案：
本发明中所述的自修复环氧树脂涂料，涂料溶质由经过氨基化改性的环氧树脂、与碳化二亚胺（EDC）反应得到的海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体两个成分组成，
氨基化改性的环氧树脂和海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体的质量比为1:0.5~1，涂料溶剂为乙酸乙酯和水，溶剂与溶质的质量比为1:1~1.5。
其中，经过氨基化改性的环氧树脂通过以下步骤制备得到：
（1）2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）、甲苯二异氰酸酯（TDI）和环氧树脂在以丙酮为溶剂、以二月桂酸二丁基锡（DBTDL）为催化剂组成的体系中回流反应，反应完成后去除溶剂得到表面接枝羟基的环氧树脂；
（2）将步骤（1）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与聚己内酯（PCL）水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；
（3）表面修饰有羧基的环氧树脂与氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液。
步骤（1）中2,2-二羟甲基丙酸、甲苯二异氰酸酯和环氧树脂的质量比为1:（0.5-1）:1.5；
步骤（2）中聚己内酯（PCL）水解产物由聚己内酯（PCL）水溶液中加热至30℃反应得到；
步骤（3）中氨基聚乙二醇羟基与表面修饰有羧基的环氧树脂的质量比为1:（0.5-2）。
海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体的制备步骤如下：
1）制备海藻酸钙基微胶囊：在室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后得到。
2）将步骤1）中得到的海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:0.5-1:1.5比例混合，在200 mL水中反应5-10分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液。
一种自修复环氧树脂涂料的制备方法，
1）制备海藻酸钙基微胶囊：在室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后得到。
2）将步骤1）中得到的海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:0.5-1.5质量比例混合，在200 mL水中反应5-10分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液。
3）2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）、甲苯二异氰酸酯（TDI）和环氧树脂在以丙酮为溶剂、以二月桂酸二丁基锡（DBTDL）为催化剂组成的体系中回流反应，反应完成后去除溶剂得到表面接枝羟基的环氧树脂；2,2-二羟甲基丙酸、甲苯二异氰酸酯和环氧树脂的质量比为1:（0.5-1）:1.5；
4）将步骤3）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与聚己内酯（PCL）水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；聚己内酯（PCL）水解产物由聚己内酯（PCL）水溶液中加热至30℃反应得到；
5）表面修饰有羧基的环氧树脂与氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液；氨基聚乙二醇羟基与表面修饰有羧基的环氧树脂的质量比为1:（0.5-2）；
6）将海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液和氨基化改性的环氧树脂的水溶液通过乙酸乙酯分散后反应生成形成酰胺键，得到自修复的环氧树脂涂料；氨基化改性的环氧树脂和海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体的质量比为1:0.5~1。
本发明的有益效果：
本发明所提供的方法通过形成酰胺键使海藻酸钙基微胶囊在环氧树脂中均匀分散，增加材料的力学性能所制备的自修复的环氧树脂能够实现损伤部位的自我修复，减缓外力、环境等作用下的老化和失效问题，提高使用安全可靠性，增加材料寿命。
附图说明
图1实施例1扫描电镜照片；
图2实施例2扫描电镜照片；
图3实施例3扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
1）将海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:0.8比例混合，在200 mL水中反应5分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液。
2）10g 2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）、15 g甲苯二异氰酸酯（TDI）和16丙酮在50 ℃左右回流至形成均相溶液之后，再加入100 g E-44环氧树脂和0.3 g二月桂酸二丁基锡（DBTDL）回流反应6分钟，反应完成后通过减压蒸馏除去丙酮，得到表面接枝羟基的环氧树脂；
3）将步骤2）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与10 g聚己内酯（PCL）水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；聚己内酯（PCL）水解产物由聚己内酯溶液加热到30 ℃水解生成，反应时间5分钟。
4）表面修饰有羧基的环氧树脂与10 g氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液。
5）将海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液和氨基化改性的环氧树脂的水溶液通过乙酸乙酯分散后反应生成形成酰胺键，得到自修复的环氧树脂涂料。
上述实施例中海藻酸钙基微胶囊可采用如下方法制备得到：室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后，得到自修复微胶囊产品。制备所得微纳胶囊平均粒径为100纳米，且分布均匀，包覆率达84.87%。
实施例2：
1）将海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:1比例混合，在200 mL水中反应6分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液。
2）12g 2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）、17 g甲苯二异氰酸酯（TDI）和20g丙酮在50 ℃左右回流至形成均相溶液之后，再加入110 g E-44环氧树脂和0.2 g二月桂酸二丁基锡（DBTDL）回流反应5分钟，反应完成后通过减压蒸馏除去丙酮，得到表面接枝羟基的环氧树脂；
3）将步骤2）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与8 g聚己内酯（PCL）水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；聚己内酯（PCL）水解产物由聚己内酯溶液加热到30 ℃水解生成，反应时间6分钟。
4）表面修饰有羧基的环氧树脂与8 g氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液。
5）将海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液和氨基化改性的环氧树脂的水溶液通过乙酸乙酯分散后反应生成形成酰胺键，得到自修复的环氧树脂涂料。
上述实施例中海藻酸钙基微胶囊可采用如下方法制备得到：室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后，得到自修复微胶囊产品。制备所得微纳胶囊平均粒径为100纳米，且分布均匀，包覆率达84.87%。
实施例3：
1）将海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:1.2比例混合，在220 mL水中反应5分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液。
2）14 g 2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）、19 g甲苯二异氰酸酯（TDI）和25 g丙酮在50℃左右回流至形成均相溶液之后，再加入120 g E-44环氧树脂和0.4 g二月桂酸二丁基锡（DBTDL）回流反应7分钟，反应完成后通过减压蒸馏除去丙酮，得到表面接枝羟基的环氧树脂；
3）将步骤2）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与12 g聚己内酯（PCL）水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；聚己内酯（PCL）水解产物由聚己内酯溶液加热到30 ℃水解生成，反应时间7分钟。
4）表面修饰有羧基的环氧树脂与12 g氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液。
5）将海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液和氨基化改性的环氧树脂的水溶液通过乙酸乙酯分散后反应生成形成酰胺键，得到自修复的环氧树脂涂料。
上述实施例中海藻酸钙基微胶囊可采用如下方法制备得到：室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后，得到自修复微胶囊产品。制备所得微纳胶囊平均粒径为100纳米，且分布均匀，包覆率达84.87%。
性能与表征
表1中给出本发明实施例的断裂拉伸性能测试结果和扫描电镜照片，如表1所示，本发明具有良好的机械拉伸性能，室温下拉伸强度能够达到2.0MPa，如图1~图3所示，形成酰胺键使海藻酸钙基微胶囊在环氧树脂中均匀分散。
表1
| 实施例 | 拉伸强度 | 扫描电镜照片 |
| 1 | 1.8 MPa | 图1 |
| 2 | 2.0 MPa | 图2 |
| 3 | 1.9 MPa | 图3 |
Claims (5)
1.一种自修复环氧树脂涂料，其特征在于，涂料溶质由经过氨基化改性的环氧树脂、与碳化二亚胺反应得到的海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体两个成分组成；
氨基化改性的环氧树脂和海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体的质量比为1:0.5~1，涂料溶剂为乙酸乙酯和水，溶剂与溶质的质量比为1:1~1.5；
海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体的制备步骤如下：
1）制备海藻酸钙基微胶囊：在室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后得到；
2）将步骤1）中得到的海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:0.5-1:1.5比例混合，在200 mL水中反应5-10分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液。
2.根据权利要求1所述的自修复环氧树脂涂料，其特征在于，经过氨基化改性的环氧树脂通过以下步骤制备得到：
（1）2,2-二羟甲基丙酸、甲苯二异氰酸酯和环氧树脂在以丙酮为溶剂、以二月桂酸二丁基锡为催化剂组成的体系中回流反应，反应完成后去除溶剂得到表面接枝羟基的环氧树脂；
（2）将步骤（1）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与聚己内酯水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；
（3）表面修饰有羧基的环氧树脂与氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液；
步骤（1）中2,2-二羟甲基丙酸、甲苯二异氰酸酯和环氧树脂的质量比为1:（0.5-1）:1.5；
步骤（2）中聚己内酯水解产物由聚己内酯水溶液加热至30℃反应得到；
步骤（3）中氨基聚乙二醇羟基与表面修饰有羧基的环氧树脂的质量比为1:（0.5-2）。
3.如权利要求1所述的自修复环氧树脂涂料的制备方法，其特征在于，其具体步骤如下：
1）制备海藻酸钙基微胶囊；
2）将步骤1）中得到的海藻酸钙基微胶囊与碳化二亚胺按照1:0.5-1.5质量比例混合，在200 mL水中反应5-10分钟生成海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液；
3）制备表面接枝羟基的环氧树脂；
4）将步骤3）获得的表面接枝羟基的环氧树脂与聚己内酯水解产物反应生成表面修饰有羧基的环氧树脂；聚己内酯水解产物由聚己内酯水溶液加热至30℃反应得到；
5）表面修饰有羧基的环氧树脂与氨基聚乙二醇羟基反应得到氨基化改性的环氧树脂的水溶液；氨基聚乙二醇羟基与表面修饰有羧基的环氧树脂的质量比为1:（0.5-2）；
6）将海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体溶液和氨基化改性的环氧树脂的水溶液通过乙酸乙酯分散后反应生成形成酰胺键，得到自修复的环氧树脂涂料；氨基化改性的环氧树脂和海藻酸钙基微胶囊O-酰基异脲中间体的质量比为1:0.5~1。
4.根据权利要求3所述的自修复环氧树脂涂料的制备方法，其特征在于，1）制备海藻酸钙基微胶囊的具体方法如下：
在室温下，将3克桐油与0.3克OP-10乳化剂加入260毫升去离子水中，在6000转/分钟转速下，用组织捣碎机对其进行乳化30分钟，形成稳定初乳溶液后，用滴管取出20毫升到烧杯中，并加入浓度为1%的海藻酸钠溶液20毫升，在100转/分钟转速下，用磁力搅拌器搅拌20分钟后，缓慢滴加浓度为3%的氯化钙溶液2.5毫升，同时继续搅拌，反应5分钟后，将反应产物冻干后得到。
5.根据权利要求3所述的自修复环氧树脂涂料的制备方法，其特征在于，3）制备表面接枝羟基的环氧树脂的具体方法如下：
2,2-二羟甲基丙酸、甲苯二异氰酸酯和环氧树脂在以丙酮为溶剂、以二月桂酸二丁基锡为催化剂组成的体系中回流反应，反应完成后去除溶剂得到表面接枝羟基的环氧树脂；2,2-二羟甲基丙酸、甲苯二异氰酸酯和环氧树脂的质量比为1:（0.5-1）:1.5。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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