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  • bj2002
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  • 发表于:2013-08-29 17:52:32

智能自修复型聚合物基复合材料介绍

结束语

自修复聚合物基复合材料作为一种新颖的智能结构功能材料,通过实现微裂纹的自愈合,为预防潜在的危害提供了一种新方法,在一些重要工程和尖端技术领域孕育着巨大的发展前景和应用价值。通过研究自修复体系的结构与修复性能的关系,修复剂的修复机理,以及修复过程的动力学,从而研制出在使用环境下可长期储存,对裂纹能进行快速高效自修复的材料,无论在理论上还是实践上都具有重要意义。

1 单胶囊型自修复

美国伊利诺大学White等[4]以环氧树脂为基体、脲醛树脂包裹双环戊二烯(DCPD)单体微胶囊为修复剂、苯基亚甲基双( 三环己基磷)二氯化钌(Grubbs)为催化剂成功制备了一种单胶囊型自修复聚合物材料。该体系中裂纹的修复是通过破裂微胶囊释放出的修复单体与基体中事先分布的催化剂发生聚合反应来实现,其修复效率可达到75%。进一步研究表明[14],微胶囊的粒径、壁厚和表面形态显著影响胶囊的破裂行为和修复剂在自修复过程中的释放、修复效率。同时催化剂的形貌、尺寸对自修复性能及疲劳裂纹扩展也有影响[15]。为解决Grubbs催化剂在胺类固化环境中容易失活、分散性差、效率低的问题,Rule等[16]利用石蜡包裹 Grubbs催化剂来提高其在聚合物材料中的均匀分布。这样的改进一方面降低了催化剂的用量(从2.5wt%降到0.25wt%);另一方面也可使催化剂与固化剂相隔离,提高催化效率,并使材料的修复效率提高到80%以上。考虑到Grubbs昂贵的价格,Kamphaus等[17]将六氯化钨和苯乙炔混合物代替传统Grubbs催化剂,通过在环氧树脂基体中加入12wt%的未处理的六氯化钨和15wt%的DCPD微胶囊,材料的自修复效率达到20%。此类催化体系的自修复效率不如 Grubbs体系,但价格便宜,将会逐渐引起人们更多的关注。

2 双胶囊型自修复

除了以上介绍的单胶囊型自修复复合材料外,国内外研究学者也对双胶囊型自修复材料进行了研究。肖定书等[35]将环氧微胶囊与固化剂(三氟化硼乙醚络合物)微胶囊相配伍,填充到环氧树脂中,制备了具有自愈合功能的环氧基复合材料,研究结果表明,当环氧微胶囊浓度为5wt%,固化剂微胶囊浓度为1wt%时,室温修复半小时后,冲击试验测得修复效率约为80%。袁彦超等[36,37]制备了一种硫醇固化剂微胶囊,并与环氧微胶囊一起分散于环氧基体中,成功制备了室温快速自修复环氧树脂复合材料,结果表明,在20℃下修复24h,在填充5wt%微胶囊时复合材料的修复效率为104.5%。另外,袁彦超等[38]利用锥形双悬臂梁实验,详细考察了胶囊含量、胶囊匹配性、催化剂、修复体系种类、加工工艺和裂纹宽度等因素对上述环氧树脂复合材料自修复效果的影响,并运用胶粘剂粘接原理分析了复合材料的自修复原理和破坏机理。

利用液芯纤维修复

液芯纤维自修复的概念是埋入基体的液芯纤维,在裂纹扩展时以释放修复物质而愈合裂纹时提出的。Dry[45]运用埋植技术把装有单组分氰基丙烯酸酯或双组分的交联环氧黏合剂的空心玻璃纤维埋植于聚合物基体中,当微裂纹发生时,空心纤维破裂释放出修复剂,进而对材料微裂纹实施修复。Motuku等[46]将内装乙烯基树脂或环氧树脂的修复纤维埋入玻纤增强的环氧复合材料中,考察了纤维的数量、类型和分布,以及试样厚度、基材和冲击能量对修复性能的影响。

利用仿生脉管修复

为使聚合物材料对同一损伤部位具有多次修复能力,Toohey等[8]在内置微胶囊仿生自修复的基础上,借助于液芯纤维修复的方法,将修复剂DCPD装填在埋植入环氧树脂基体中的三维毛细管网络中(图6),Grubbs催化剂分散于环氧涂层中,其毛细管通道直径约200μm,四点弯曲试验结果表明:在Grubbs催化剂浓度为10wt%时,所制得的环氧复合材料在室温下修复12h后,其修复效率约70%,对同一部位的小破损自行修复多达7次。随后Toohey[51]、Hamilton等[52]将双组分环氧与胺固化体系应用于三维毛细管网络。中,使重复修复次数增加到16次。