在聚合物涂层维护过程中,定期检测机械损伤不仅对确保其安全性和可靠性至关重要,同时有助于预防底层基材发生灾难性故障。然而,由于纳米/微米尺度的损伤难以用肉眼或常规工具检测,维护工作极具挑战性。
解决该问题的一种方法是利用机械诱导的颜色指示变化来提高微裂纹的可见性。具体来说,通过将机械响应分子共价或非共价改性地掺入聚合物涂层中,使其在宏观变形时颜色产生变化,从而实现自主损伤检测。另一种方法是将指示剂封装在微胶囊内,提供同涂层基质的物理隔离和在特定刺激下释放指示剂的能力。近年来,聚集诱导发光材料(AIEgens)作为一种前景广阔的指示剂,因其在涂层裂纹检测中的灵活性和便利性而备受关注。具体来说,含有AIEgens分子的微胶囊在微裂纹破裂时会被释放和激活,导致局部区域颜色出现明显变化,从而指示损伤位置。然而,加入基于AIEgens分子的微胶囊不仅会损害涂层的机械性能和保护性能,增加制备成本,同时要求更为复杂的制备程序。
中山大学顾林课题组提出了一种简单有效的策略,在无需外加AIEgens分子的情况下,使用商业化聚酰胺固化剂的簇发光性质实现对环氧涂层的自主损伤检测。商业化聚酰胺固化剂表现出簇聚诱导发射特征。通过使用聚酰胺固化剂固化环氧涂层,可以实现涂层的本征发光。这种基于荧光的环氧涂层将观察到的裂纹周围荧光强度与损伤深度相关联,可以实现损伤深度的检测和评估。此外,当腐蚀性介质穿透损伤区域并到达钢基材时,铁离子对聚酰胺的荧光猝灭效应还能为环氧涂层提供腐蚀预警功能。相关研究成果以“Autonomous Damage Detection of Epoxy Coatings Enabled by Clusteroluminescence of Commercial Polyamide 650 Curing Agent without External AIEgens”为题发表于《Chemical Engineering Journal》上。
【研究亮点】
1)对聚酰胺固化剂的簇发光性质进行了系统研究。
2)通过使用聚酰胺固化剂固化环氧涂层,实现了环氧涂层的本征发光。
3)在无需外加AIEgens分子的情况下,该荧光环氧涂层即可应用于损伤深度的检测和评估。
4)通过Fe3+对聚酰胺固化剂的荧光猝灭效应可以为环氧涂层提供腐蚀预警功能。
图1.(a)365 nm紫外光下聚酰胺650/乙醇溶液的照片(从左到右分别是乙醇溶剂,0.01、0.1、0.25、0.5、1、2 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液),φ为绝对量子产率。(b)不同浓度的聚酰胺650/乙醇溶液的荧光光谱(λex = 380 nm)。(c)不同浓度聚酰胺650/乙醇溶液的光致发光(PL)强度变化趋势。(d)2 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液在不同激发波长下的荧光光谱。(e)2 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液的荧光衰减曲线。
图2.(a)0.1 wt% 聚酰胺650/混合溶剂在365 nm紫外光下的照片(从左到右是乙醇和水的混合溶剂)。(b)0.1 wt% 聚酰胺650在乙醇和水混合溶剂中的荧光光谱。(c)1 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液在不同pH值下的荧光光谱。(d)聚酰胺650在不同溶剂中的荧光光谱。(e)聚酰胺650在不同温度下的荧光光谱。
图3.(a)聚酰胺650中可能的分子内和分子间相互作用。(b)聚酰胺650不同聚集态对应的能级图。
图4.(a)日光(左)和365 nm紫外光(右)下环氧树脂涂层的照片,数字为绝对量子产率。(b)不同紫外激发波长下环氧涂层的荧光光谱。(c)不同激发波长下环氧涂层最强荧光发射波长的变化趋势。(d)环氧树脂涂层的荧光衰减曲线。
图5. 铁离子对聚酰胺650的荧光淬灭效应。(a)1 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液与不同金属离子(1×10?2 mol/L)的荧光光谱。(b)1 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液与不同金属离子(1×10?2 mol/L)的光致发光强度和最强荧光变化(F/F0)。(c)1 wt% 聚酰胺650/乙醇溶液与不同浓度Fe3+的荧光光谱。(d)1 wt% PA650/含有不同浓度Fe3+的乙醇溶液在440 nm处的光致发光强度变化趋势。
图6. 环氧涂层的损伤深度检测及腐蚀预警。(a)紫外光下环氧涂层损伤深度的照片。(b)环氧涂层的损伤深度和平均荧光强度。(c)浸入3.5 wt% NaCl溶液中的环氧涂层在日光和365 nm紫外光下划痕的照片。
原文链接:
Mindi Xiao, Yumin Zhang, Xinzhe Xiao, Lin Gu, Autonomous damage detection of epoxy coatings enabled by clusteroluminescence of commercial polyamide 650 curing agent without external AIEgens, Chemical Engineering Journal, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155670
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