有机硅改性聚氨酯及其船舶防污涂层的性能研究

摘要

由于社会对环保型防污涂料的重视，低表面能防污涂料成为当今研究热点。针对目前低表面能防污涂料的一些问题，本文进行了有机硅改性聚氨酯的研究，为低表面能防污涂料开发适合的材料。本文系统研究了有机硅含量对聚氨酯分子结构、表面形貌、表界面特性、涂层基本力学性能、拉伸力学性能、自愈合性能、防污性能及复合防污涂层的影响。
　　研究表明，有机硅链段的引入使得聚氨酯分子链柔性增加，聚氨酯的玻璃化温度降低，微相分离程度增加。由于分子柔性增加，氢键的形成变得容易，材料的自愈合能力增强。有机硅链段在表层的富集使得涂膜的表面能降低，表面极性降低，涂膜耐水性增强。有机硅链段在材料内部的聚集使得材料的弹性模量、断裂强度和延伸率产生了较大的变化，且对材料的自愈合性能造成影响，使得自愈合性能下降。在实海挂板测试中，三种涂层都表现较好的初期防污效果，说明它们有效的延缓或阻止了附着初期的细菌膜的形成。其中氧化亚铜复合防污涂层防污效果最佳，细菌膜始终没有形成，这是由氧化亚铜的微毒性和涂层低弹性模量共同作用的结果。有机硅改性聚氨酯涂层在初期也表现出不错的防污效果，但其单纯的低表面能防污原理带来的防污效果还是不够持久。碳纳米管复合防污涂料表现出非常高的疏水性，加上其表面防污剂C的析出使得涂层初期的防污效果非常不错，但是涂层的长期耐水性还是不够好，需要改善。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 船舶的海洋服役环境

1．1．2 防污涂料的种类及原理

1．1．3 防污涂料发展现状

1．1．4 低表面自由能型防污涂料

1．2 聚氨酯材料简介

1．2．1 聚氨酯

1．2．2 聚氨酯的结构及特点

1．2．3 聚氨酯的分类

1．3 改性聚氨酯

1．3．1 有机硅改性聚氨酯

1．3．2 丙烯酸酯改性聚氨酯

1．3．3 环氧树脂改性聚氨酯

1．3．4 异氰脲酸酯改性聚氨酯

1．3．5 天然产物改性聚氨酯

1．4 本文研究目的及主要研究内容

第二章 有机硅改性聚氨酯的合成、表征及性能测试方法

2．1 研究方案

2．1．1 改性聚氨酯的合成及其表征

2．1．2 改性聚氨酯弹性体材料的性能

2．1．3 改性聚氨酯弹性体材料的自愈合性能与机理

2．1．4 纳米复合防污涂层的制备与性能

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器设备

2．3 合成原理与工艺

2．3．1 聚氨酯合成反应原理

2．3．2 合成有机硅改性聚氨酯的配方

2．3．3 有机硅改性聚氨酯的合成工艺

2．4 样品的制备

2．4．1 载玻片涂膜的制备

2．4．2 铸膜试样的制备

2．5 结构与物理性能

2．5．1 水接触角测量和表面能估算方法

2．5．2 表面微观形貌与相态分析

2．5．3 分子结构表征

2．5．4 力学性能测量方法

2．6 海生物附着测试

2．6．1 实海挂板浸泡样板制备

2．6．2 实海挂板浸泡实验方法

第三章 有机硅改性聚氨酯的结构表征及表界面特性

3．1 红外光谱

3．2 差热分析

3．3 X射线衍射分析

3．4 表面微观结构与形貌

3．5 表界面特性

3．6 本章小结

第四章 有机硅改性聚氨酯弹性体材料的性能

4．1 基本力学性能

4．2 拉伸力学性能

4．2．1 弹性模量

4．2．2 断裂强度

4．2．3 延伸率

4．3 真实拉伸应力应变

4．4 拉伸表面微结构的动态显微镜原位观察

4．5 拉伸断口与变形断裂机制

4．6 改性聚氨酯膜的防污性能

4．7 本章小结

第五章 有机硅改性聚氨酯弹性体材料的自愈合性能与机理

5．1 自愈合性能实验方法

5．1．1 自愈合性能测试

5．1．2 愈合时间效应测试

5．1．3 多次断裂愈合性能测试

5．2 自愈合的时间效应

5．3 损伤方式对自愈合性能的影响

5．4 有机硅含量对自愈合性能的影响

5．5 多次断裂-自愈合性能

5．6 自愈合机理初探

5．7 本章小结

第六章 复合防污涂层的制备与性能

6．1 防污涂料的制备

6．2 防污涂层的表面结构与性能

6．2．1 表界面特性

6．2．2 表面形貌

6．2．3 力学性能

6．3 复合涂层的防污性

6．4 防污机理分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢