摘要
21世纪以来，海洋基础设施的建设在不断推进，但是由于海洋环境十分复杂，面临着海浪冲蚀、海水中氯离子侵蚀、干湿交替作用等诸多因素，导致海洋工程的耐久性面临巨大的考验。目前延长海洋工程服役寿命的主要途径为涂层防护，环氧树脂（EP）作为海洋防护涂层中应用最广泛的材料之一，具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、容易加工等优势，但EP固化后交联密度大，基体呈现脆性，冲击韧性差，在实际工程中，EP涂层经常出现龟裂、粉化、开裂等现象。因此，本文选择以聚氨酯（PU）预聚体作为EP的增韧剂，通过PU和EP进行结合，在不影响EP拉伸强度的前提下达到增韧效果，同时引入聚多巴胺（PDA）纳米粒子与EP分子链间形成可逆氢键，期望得到兼具增韧效果和自修复效果的PU-PDA/EP复合材料，并将复合材料涂覆在水泥基材料表面作为涂层，对改性涂层水泥基材料的相关力学性能进行研究。 通过不同的工艺配方，制备了不同配比下的PU/EP复合材料，以复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、冲击韧性作为评价指标进行了正交实验，结合单指标法和响应面分析法确定了PU/EP复合材料的最佳制备配方为:R值（PU预聚体原材料n（OH-）∶n（NCO-）的比值）为1、PU掺量为15wt％（PU占PU/EP复合材料质量的百分比）、制备温度为80℃。通过扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）对EP和PU/EP化学结构进行了测试分析，表明PU和EP反应完全。PU/EP复合材料的拉伸强度最高达到32.35MPa,断裂伸长率为26.21％,冲击韧性为30.40J/m2,较纯EP分别提高了37.61％、52.21％、47.07％。通过热重测试表明，PU/EP复合材料具有良好的热稳定性，并通过纳米压痕的连续刚度法测试了不同深度下的硬度、模量、刚度等。 制备PDA/EP复合材料，研究其拉伸力学性能和自修复性能，结果表明0.6％PDA/EP复合材料的力学强度较EP有所提高，将预损伤后的复合材料分别在大气和3.5wt％NaCl溶液下修复3d后进行测试，对比分析验证了复合材料的自修复能力。当PDA掺量为0.6％（PDA占EP基体质量的百分比）时，复合材料的强度恢复率为104.46％。为了研究PU和PDA对EP基体的增韧效果及自修复机理，制备了PU-PDA/EP复合材料，由力学测试结果可知，其拉伸强度较PU/EP复合材料略微提高，同时具备自修复性能，这是由于PDA其表面携带着大量的能与环氧基团发生化学反应的官能团（胺、亚胺、邻苯二酚），使复合材料形成了氢键。采用数字散斑相关方法对荷载下复合材料修复前后的变形行为进行了表征,得到不同环境下复合材料修复前后的应力-应变、灰度系数特征值（Stc）与X方向应变特征值（Sts)的变化规律，进一步印证了PU-PDA/EP复合材料的自修复性能。 为了验证所制备的复合材料是否满足水泥基材料表面涂层的实际工程应用要求，分别将纯EP、15wt％PU/EP、0.6％PDA/EP、15wt％PU-0.6％PDA/EP四种环氧复合材料涂覆在水泥基材料的表面，用作水泥基材料的表面涂层，对涂层水泥基材料的附着力、抗压强度、三点弯曲强度进行测试，结果表明:15wt％PU/EP涂层的附着力高达5.53MPa,15wt％PU-0.6％PDA/EP涂层水泥基材料的抗压强度最大，为33.49MPa,三点弯曲试验及试件破碎照片也证明了涂覆15wt％PU-0.6％PDA/EP涂层的水泥基材料具有最高的抗弯性能。采用数字散斑相关方法分别对不同涂层涂覆下水泥基体在荷载作用下的变形行为进行了表征，分析结果表明，15wt％PU-0.6％PDA/EP涂层能够有效增强水泥的力学强度，此外在涂层的密封保护下，水泥基体在水环境中的力学性能得到了有效提高。
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