聚合物基微胶囊自修复材料的研究进展

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1、聚合物基微胶囊自修复材料的研究进展刘玉静材科091班摘要聚合物材料在使用过程中，内部不可避免地会产生一些裂纹。由于这些裂纹难以被检测和及时修复，因此往往会缩短材料的使用寿命。主要介绍微胶囊型自修复聚合物复合物材料的自修复机理，着重综述了最近几年对影响复合材料自修复效果的因素（微胶囊的含量及粒径、修复剂的种类、催化剂的浓度和粒子尺寸以及体系混合次序）的研究进展。简单介绍了微胶囊型自修复材料的研究成果.关键i司微胶囊自修复愈合效率0引言材料在使用过程屮，由于受到热、力等环境因素的影响，不可避免地会产生裂纹等形式的损

2、伤，从而使材料的性能下降。对材料损伤进行修复可以维持或延长材料的使用寿命。采用传统的修复技术如机械连接贴补、胶接贴补、树脂注射等技术可以对材料外部的裂纹进行修复，从而在一定程度上对材料的性能起到维护作用。但是人们对于材料内部的损伤却很难发现，运用传统的修复技术已经不能满足修复要求,所以在20世纪80年代屮期由美国军方提出了自修复复合材料的概念。这个概念的提出为解决材料的修复提供了一种理想的途径，这种自修复材料能够模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能的材料,材料一旦产生缺陷,在没有外界作用的条件下能够自我修复

3、，以达到消除隐患的目的，从而增强材料性能。聚合物基自修复复合材料的发展符合复合材料多功能发展趋势，它不仅可以及时修复材料的裂纹，维护材料的使用性能和延长材料的使用寿命，而且对于扩展材料的应用领域也有一定的积极作用。因此，研究聚合物材料的自修复自愈合，自动对损伤部位进行检测和修复,对聚合物材料在结构材料和高技术领域的应用尤其重要。1微胶囊自修复机理自修复概念的提出为聚合物基复合材料微裂纹的黏结修复提供了一种新型、有效的途径。聚合物基复合材料的自修复是受生物体损伤后具有自我愈合能力的启发，借助于微胶囊这种有效的物质

4、固定化技术，将单体修复剂被包覆于微胶囊中并均匀地分散于聚合物基体中，这种结构应该对材料的原有性能不产生影响。当复合材料受损产生微裂纹时，裂纹顶端应力集屮引发微胶囊破裂释放出修复剂，通过毛细作用将修复剂释放至受损区域，，填充裂纹，然后与预先埋植于基体中的催化剂接触引发聚合反应，使微裂纹得到愈合，达到修复的目的。White等将包裹了修复剂环戊二烯二聚体（DCPD）的嫌醛树脂微胶囊和一种过渡金属催化剂一起分散在环氧树脂复合材料中。在材料产生裂缝时，微胶囊受外力作用破裂，DCPD由于裂缝产生的毛细管虹吸作用迅速渗入裂缝

5、屮。当修复液与埋在聚合物中的催化剂接触时，引发单体的开环移位聚合反应将裂缝粘合，从而达到自修复的目的。利用这种方法聚合物复合材料的修复效率可达到75%。另外，纤维增强聚合物复合材料中，由于织物和纤维的结构中含有许多的细孔（50、100Un）,是储存微胶囊的天然场所，而且纤维增强复合物应用性很广，所以，基丁-纤维材料自修复的研究具有很大意义。Kessler和White等使用玻璃纤维/环氧树脂复合材料为载体，DCPD微胶囊体系作为修复剂，研究了纤维材料层间剥离损伤的修复情况。他将Grubbs催化剂埋植在复合物材料基

6、体中，通过人工注射修复剂，实现自激活催化愈合，得到自修复效率大约19%。随后，Kessler等接着上面的工作研究了一个不需人工干涉、具有自修复能力的结构纤维增强聚合物基复合物体系。该体系直接将DCPD微胶囊和催化剂分散在材料中，在室温下，自修复时间为48h,平均修复效率为38%,最大修复效率可达45%;当修复温度为80°C时，修复效率可以分别提高到66%和80%。从而进一步验证了这个微胶囊自修复机理。2影响聚合物复合材料自修复效果的因素模仿生物体损伤自修复的基本原理，使复合材料对内部损伤能够进行自修复和自愈合,

7、从而消除隐患，恢复和增强材料性能,延长材料的使用寿命，但也有很多因素影响这种自修复复合材料的自修复效果，比如微胶囊的浓度与大小、修复剂的种类、催化剂的浓度、愈合裂纹的时间及愈合温度、被愈合树脂基体的种类、复合材料的制备工艺等，另外，各种因素之间又相互牵制，使得复合材料的自修复效果的影响情况变得更加复杂。2.1微胶囊微胶囊对自修复效果的影响较为复杂，其屮囊体材料的种类、微胶囊的壁厚及其力学性能、微胶囊的尺寸、微胶囊的添加量及其分布等均对复合材料的自修复效果有一定的影响，目前的研究中大多使用的囊体材料是聚服甲醛树脂

8、。2.1.1微胶龔浓度及直径对自修复材料性能影响BrownEN等在手工操作条件下，在环氧树脂体系中注入Grubbs催化剂，并将不同含量（浓度为0〜25%）的聚月尿甲醛包覆二环戊二烯（DCPD）微胶囊埋置于环氧树脂体系。发现材料的初始断裂韧性随微胶囊浓度的增加而增加，当微胶囊的浓度为15%时其断裂韧性达到最大值，且材料最大韧性值平均提高127%o当微胶囊的浓度为25%或更大时，虽然可以提