SUPERVISOR
Rasoul Esmaeely Neisiany,Ali Ashrafi,Saied Nouri-Khorasani
رسول اسمعیلی نیسیانی (استاد مشاور) علی اشرفی (استاد مشاور) سعید نوری خراسانی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammadsadegh Koochaki
محمدصادق کوچکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
TITLE
Performance of polyurea based dual microcapsule self-healing system in epoxy coating and studying the relationship between healing reaction kinetics and crack formation rate
In the present research, the performance of a polyurea based dual capsule self-healing system with the ability to work underwater was investigated in epoxy anti-corrosion coating. Moreover, the relationship between healing reaction kinetics and crack formation rate were studied through change in the molecular characteristics of healing agents. Microcapsules were prepared through the electrospray method by using Poly (Styrene-co-Acrylonitrile) polymer as shell material. The dual capsule system included one component with the amine functional group and the other component with the isocyanate functional group, which were encapsulated separately. The amine healing agent was modified by catechol unit present in the dopamine molecule to enhance the underwater self-healing performance. Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Thin Layer Chromatography, and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy confirmed successful modification reaction. Moreover, the molecular weight and functionality of the amine healing agent were varied to investigate their effects on the efficiency and kinetics of the healing reaction. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) images confirmed spherical core-shell morphology for both amine and isocyanate-containing microcapsules which were prepared at optimum electrospray conditions. The average diameter of microcapsules was measured to be 0.93± 0.55 ?m, 1.01± 0.29 ?m, 0.81± 0.34 ?m, and 1.21± 0.68 ?m for Jeffamine D230, Jeffamine D400, Jeffamine T403, and Coronate 1391 isocyanate, respectively. It was also measured 0.84± 0.60 ?m for the microcapsules containing catechol modified amine. Thermogravimetric analysis (TGA) results confirmed the successful encapsulation of all core materials with a high encapsulation process yield of 71.2% , 72.7%, 69.7%and 68.1% for Jeffamine D230, Jeffamine D400, Jeffamine T403, and Coronate 1391 isocyanate, respectively. It was also determined to be 78.7% and 81.8% for the core materials including 10 wt% and 40 wt% of catechol modified amine, respectively. The self-healing anti-corrosion coatings were prepared by mixing the prepared core-shell microcapsules into the epoxy resin and applying them as a coating on the steel substrate. Conical mandrel bending test, adhesion strength, gloss test, and electrochemical corrosion evaluation experiments were used to evaluate the properties of the prepared coating. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) confirmed the healing performance of the aforementioned dual capsule system with the highest healing efficiency of 85% for the coating containing 3 wt% of microcapsules (1:1 weight mixture of amine and isocyanate containing microcapsules). According to the EIS results, 73.9% increase in molecular weight of amine healing agent, decreased the total corrosion resistance by 38.4%, while increasing the amine functionality from 2 to 3 (in identical molecular mass) increased it by 78.4%, which indicates the strong impact of the functionality on the efficiency of the healing system. The EIS results also showed that incorporating the modified healing agent improved the healing performance and increased the ultimate healing efficiency in the presence of water. The fatigue test results using tapered double-cantilever beam (TDCB) revealed that the ability of the healing system in reduction of the crack's growth rate, under applied dynamic stress, was not significantly affected by increasing the healing agent's molecular weight, whileincreasing the functionality enhanced thehealing performance. Keywords: Epoxy coating, Self-healing, Electrospray, Core-shell microcapsule, Polyurea
در این پژوهش سامانه خودترمیم شونده دوکپسولی بر پایه پلی اوره با قابلیت عملکرد در زیر آب جهت ترمیم پوشش اپوکسی محافظ در برابر خوردگی مورد ارزیابی قرارگرفته و ارتباط سینتیکی واکنش ترمیم با سرعت تشکیل ترک بررسی شد. عوامل ترمیم مورد استفاده در سامانه دوکپسولی، شامل یک جزء دارای گروه عاملی آمین و جزء دیگر دارای گروه عاملی ایزوسیانات بودند که هریک بهطور جداگانه بهوسیله روش الکترواسپری در پوسته کوپلیمر استایرن-اکریلونیتریل میکروکپسوله شدند. جهت بهبود عملکرد سامانه ترمیم در حضور آب، عاملترمیم آمین با استفاده از گروه کاتکول موجود در ساختار دوپامین به روش شیمیایی اصلاحشده و پیشرفت مطلوب این واکنش بهوسیله آزمونهای طیفسنجی مادونقرمز، کروماتوگرافی لایهنازک و تشدید مغناطیسی هسته مورد تأیید قرار گرفت. همچنین تأثیر تغییر مشخصات مولکولی عاملترمیم آمین، شامل جرم مولکولی و عاملیت، بر کارایی سامانه و سینتیک واکنش ترمیم، مورد ارزیابی قرار گرفت. بررسی میکروکپسولهای تولیدی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری مشخص کرد که کپسولهای حاوی هر دو مغزی در شرایط مطلوب الکتروریسی، مورفولوژی کروی با ساختار پوسته-مغزی داشته و میانگین قطر آنها برای کپسولهای حاوی مغزی آمین D230 ، D400 و T403 به ترتیب 55/0±93/0، 29/0±01/1 و 34/0±81/0 ، برای مغزی ایزوسیانات Coronate 1391 برابر با 68/0±21/1 ، و برای کپسولهای حاوی آمین اصلاحشده برابر 60/0±84/0 میکرومتر محاسبه شد. با استفاده از نتایج وزن سنجی گرمایی علاوه بر تأیید حضور پوسته و مغزی در کپسولهای تولیدی، بازده فرایند کپسولهکردن برای کپسولهای حاوی مغزی آمین D230 ، D400 و T403 به ترتیب 2/71 و 7/72 و 7/69 ، برای مغزی ایزوسیانات برابر 1/68 ، و برای مغزی حاوی 10 و 40 درصد وزنی آمین اصلاحشده به ترتیب 7/78 و 8/81 درصد به دست آمد. پوششهای خودترمیم شونده از اعمال رزین اپوکسی حاوی کپسولهای پوسته-مغزی بر روی زیرلایه فولادی تهیه شدند. آزمونهای خمش مخروطی، مقاومت چسبندگی، براقیت و آزمونهای خوردگی الکتروشیمیایی برای ارزیابی خواص پوشش مورد استفاده قرار گرفت. نتایج آزمون طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی علاوه بر تأیید کارایی سامانه مورد استفاده در ترمیم پوشش اپوکسی، نشان داد که مقدار بهینه میکروکپسولها در پوشش برابر با 3% وزنی (مخلوط یکبهیک وزنی میکروکپسولهای حاوی آمین و ایزوسیانات)، با بازدهترمیم بیشینه 1/85 درصد است. نتایج آزمون طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی نشان داد که استفاده از عاملترمیم حاوی 40 درصد آمین اصلاحشده با دوپامین، قابلیت ترمیم سامانه در حضور آب را بهشدت افزایش میدهد. علاوه بر این باافزایش جرم مولکولی عاملترمیم آمین به میزان 9/73 درصد ، مقاومت کل سامانه در برابر خوردگی 4/38 درصد کاهش داشته و از دیگر سو با افزایش عاملیت آمین از 2 به 3 ، مقاومت کل به میزان 4/78 درصد افزایش داشت. نتایج آزمون خستگی با استفاده از تیر مخروطی دو سر گیردار نشان داد توانایی سامانه در کاهش سرعت رشد ترکهای ناشی از تنش دینامیک با افزایش جرم مولکولی عاملترمیم تغییر چندانی ندارد. اما با افزایش عاملیت آن، توانایی سامانه افزایش یافت. کلمات کلیدی: پوشش اپوکسی، خودترمیم شوندگی، الکترواسپری، میکروکپسول پوسته-مغزی، پلی اوره