微胶囊自愈合技术及自愈合材料

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1、微胶囊自愈合技术及自愈合材料摘要：简要介绍微胶囊自愈合法和自愈合材料的种类、基本原理及其应用。关键词：自愈合材料：微胶囊文章编号：1005-6629(2008)12-0001-05中图分类号：G633.8文献标识码：B9随着现代科学技术的发展，高分子材料越来越广泛地应用在各个领域中，在某些地方甚至可以替代钢铁、铝合金等金属材料，如大量用于房屋和桥梁建筑、汽车和飞机等机械行业、水坝和高速公路、乃至像高空探索和深海潜航的高新科技的器物中。但是高分子材料在加工和使用过程中其内部结构会出现裂纹，而这种裂纹很难检测和修复。这样会导致

2、材料的机械性能下降，甚至会发生重大事故，威胁到人们的生命财产安全。一个细小的裂缝会扩展到整个材料，导致物理性能的损失和最终的破坏，细微的裂纹通常是复合材料结构使用寿命结束的开始。所以，能够及时检测并修复这种裂纹是极其重要的。为了解决这一难题，20世纪80年代中期美国军方提出了自愈合材料这一概念。自愈合材料属于智能材料，是模仿生物体损伤自修复的原理，具有感知和激励双重功能的材料，材料内一旦产生缺陷。在无外界作用条件下能够自我修复，从而消除隐患，增强材料的机械强度，延长使用寿命。其应用相当广泛，特别是在军工、宇宙探索飞行器、人

3、造卫星、飞机、汽车、电子、仿生等领域显得尤为重要。近些年在广大科学工作者的不断努力下。自愈合材料的研究进展较快，归纳起来主要有液芯纤维法、热可逆自修复法和微胶囊法几种形式。本文主要介绍各种自愈合方法的原理和微胶囊自愈合技术的研究进展。文章内容：1　液芯纤维法液芯纤维法是将含有愈合剂的纤维添加到材料中，当基体材料出现裂纹时候纤维会破裂从而释放出愈合剂，使基体材料愈合。如图l所示。Dry首先把这种技术用在混凝土当中，在混凝土里面埋植含有愈合剂的纤维材料来实现自愈合；Moyuku等研究了玻璃纤维在环氧树脂类基体中的自愈合行为，他

4、们对愈合剂的种类、玻璃纤维的用量以及在基体中的分布等进行了试验；Bleay等对更加细小的玻璃纤维进行了探究；国内张妃二等利用空心光纤注胶实现混凝土结构的自诊断、自修复，并且得到较好的结果。9影响修复效果的因素主要有：1)材料与纤维的韧性强度应该相当，即当基体出现裂纹时纤维管应该马上破裂并释放愈合剂；2)纤维的用量不能太多也不能过少，多了会影响基体的力学性能，少了会影响愈合效果；3)修复剂的粘接强度；4)纤维管的内径，太细愈合较慢，太粗释放愈合剂过多会使基体表面不光滑，这样局限了它的应用范同。2　热可逆自修复法Chen等用呋

5、喃多聚体和马来酰亚胺多聚体合成了网状高分子材料，这是一种正真意义的自愈合材料。如图2。由于呋喃和马来酰亚胺可以在室温下发生Diels-Alder加成，所以这种材料只要施以简单的热处理就可在要修补的地方形成共价键，并能多次对裂纹进行修复而不需添加额外的单体。这种材料的机械力学性能与一般的商业树脂如环氧树脂和不饱和聚酯材料相媲美。对缺口冲击产生的裂缝进行简单的热处理后，界面处仅能观察到细微的不完善，修复效率达到57％。也有一些缺点：马来酰亚胺单体熔点高而且有颜色(黄色)，在呋哺单体中不溶解；聚合物在130。C固化完全，固化耗时

6、较长，需要加快反应速度；其使用温度范围较窄(80-120℃)，影响了它的应用范围。可是它在愈合时不需要任何催化剂以及愈合剂，这是其他愈合方法所不及的。3　微胶囊法9近年来，随着微胶囊技术的迅速发展，微胶囊在聚合基复合材料裂纹自修复方面的应用逐渐得到了重视，并成为新材料领域研究的一个热点，微胶囊法是目前最受关注的自愈合方法。其原理是：微胶囊在基体出现裂纹时会破裂。释放出的愈合剂通过毛细作用到达裂纹面，愈合剂接触到埋在基体里面的催化剂引发聚合从而修复裂纹。如图3所示。这种方法与前面介绍的液芯纤维法比较相似，但是微胶囊的制备比较

7、方便，更加容易实现工业化，而且适用于包括陶瓷、玻璃、环氧树脂以及乙烯基醚类聚酯等基体材料中。在微胶囊体系中。White等发明的双环戊二烯fDCPD)／Grubbs催化剂体系是最成功的自愈合体系，它利用Grubbs催化剂来引发DCPD发生开环易位聚合(ROMP)，形成交联网状聚合物来修复裂纹。同时，ROMP反应可以在室温下迅速发生，而Grubbs催化剂在室温下比较稳定，对水、空气也比较不敏感，所以有广泛的应用前景。从上面的示意图可以看出微胶囊自修复法体系结构有如下几个部分组成：基体材料，微胶囊，愈合剂和催化剂。3.1　基体材

8、料基体材料是材料的主体，决定材料的主要性能与用途，如塑料、纤维、橡胶、陶瓷、玻璃等。其中塑料又分为热固性塑料与热塑性塑料，热固性塑料应用更加广泛一些。目前文献报道的常用基体为环氧树脂类聚合物，图4为常用的环氧树脂。93.2　微胶囊微胶囊(microencapsule)是一种通过成膜物质将囊内空间与囊外空