聚合物基自修复复合材料的国内外研究进展

聚合物基自修复复合材料的国内外研究进展

【摘要】目前具有自诊断、自修复功能的智能复合材料已成为新材料领域研究的重点之一。本文通过介绍微胶囊、液芯纤维等不同类型的聚合物基自修复复合材料的制备方法和自修复的基本原理总结了微胶囊和液芯纤维在聚合物基自修复复合材料中的详细应用和研究进展

【关键词】微胶囊;液芯纤维;自修复;聚合物基符合材料

智能材料是指能模仿生命系统 ,同时具有感知和激励双重功能的材料。自愈合(自修复)是生物的重要特征之一。材料一旦产生缺陷,在无外界作用的情况下材料本身具有自我恢复的能力称为自修复。自修复复合材料的自修复机理就是源于生物体系损伤后自动愈合的原理。聚合物基复合材料的自修复功能是通过在复合材料中埋置包覆有修复剂的微胶囊或填充有修复剂的液芯纤维等来实现的。1. 自修复填充材料

1.1 微胶囊

1.1.1 微胶囊的特殊性能

用于聚合物基自修复复合材料的微胶囊具有良好的热稳定性、适当的力学性能、与聚合物基体具有良好的相容性等。在制备这类微胶囊时,壁材与囊芯原料的选择十分严格。选择的囊芯应该具有良好的稳定性和较低的粘度,当微胶囊破裂时,能适时流出并填充裂纹,以便有效粘结裂纹。微胶囊壁材应具有良好的密封性、热稳定性和适当的力学性能,这样才能保护囊芯及微胶囊在复合材料制备过程中的完整性与使用性。同时壁材与树脂基体之间应有较好的相容性,以利于微胶囊与基体界面粘接强度的提高。

1.1.2微胶囊的制备方法

微胶囊的制备方法有很多,大致可分为物理法、物理化学法、化学法3类。物理法有空气悬浮法、喷雾干燥法、包结络合法等,物理化学法有相分离法、熔化分散法和

冷凝法等,化学法主要有界面聚合法、原位聚合法等。

1.2 液芯纤维

1.2.1 液芯纤维的制备方法

制备用于聚合物基自修复复合材料的液芯玻璃纤维时,需选择合适直径和容积的空心玻璃纤维,并在其中注入修复剂单体。可选择的修复剂主要有环氧树脂、苯乙烯等。

1.2.1 液芯纤维的制备难点

制备液芯纤维自修复复合材料的主要难点是玻璃纤维在树脂基体中的排列,需要考虑纤维的排列方向、纤维之间的间距等问题。

2. 自修复复合材料的国内外研究成果

2.1微胶囊型自修复材料

在聚合物基自修复材料领域,微胶囊是研究和应用相对较多的一种填充材料。用于复合材料自修复的微胶囊主要是聚脲甲醛包覆双环戊二烯微胶囊[36-38]、聚脲甲醛包覆环氧

树脂微胶囊等[20]。其中报道较多的是用聚脲醛树脂包覆双环戊二烯(DCPD)微胶囊和Grubbs催化剂组成的自修复体系制得的自修复材料。Blaiszik B J等[22]在环氧树脂基体中加入聚脲甲醛包覆DCPD纳米微胶囊时,发现微胶囊几乎可以全部破裂,修复剂充分释放,达到较好的修复效果,但是这种微胶囊的加入会使材料的弹性模量和拉伸模量有一定程度的降低。Keller M W等[39]将微胶囊化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和微胶囊化的交联剂埋覆在PDMS基体中,通过拉伸实验发现,加入该微胶囊体系的基体拉伸形变达到50%时

无明显损伤,并且拉伸强度恢复率可达70%,可见微胶囊的加入不仅能实现材料的自修复,还能提高材料的抗拉强度。对于纤维增强复合材料,纤维之间的空隙可以成为微胶

囊天然的保护场所,因此制备纤维增强的自修复复合材料较为简便。Kessler M R等[36]在纤

维增强的环氧树脂复合材料中加入聚脲醛树脂包覆DCPD微胶囊及催化剂,通过扫描电子显微镜(SEM)观察,发现裂纹扩展使大量的微胶囊破碎,并且发现材料裂纹修复率可达67%。Yin T等[40]提出了以聚脲甲醛包覆环氧树脂,形成的微胶囊与固化剂CuBr2(2-MeIm)4(CuBr2和2-甲基咪唑的混合物)作为双组分修复体系埋覆于环氧树脂中制成自修复材料。当微胶囊和固化剂的质量含量分别为10%和2%时,自修复环氧树脂断裂韧性的恢复率可达111%,另外,环氧树脂玻璃纤维层压板的裂纹修复率可达68%。Yang H T等[41]将含有乙烯基硅和硅氢键的有机硅单体的微胶囊填充在玻璃纤维增强的聚合物基复合材料中,玻璃纤维的表面进行过修饰而带有乙烯基硅和Karstedt催化剂。当材料受到外力作用产生裂纹时,微胶囊破裂,修复剂单体流向基体,与玻璃纤维表面的Karstedt催化剂接触时,有机硅单体发生硅氢化交联反应,产生交联网络体修补裂纹。

2.2液芯纤维自修复材料

含有修复剂的液芯纤维在聚合物基复合材料中的应用也较多。Dry C[42]在玻璃微珠填充的环氧树脂复合材料中嵌入含修复剂的液芯纤维,修复剂为单组分或双组分粘合剂。当液芯纤维破裂时,适时释放出粘合剂至裂纹处并固化,将基体愈合,从而达到自修复的目的。Pang J W C等[43]提出将填充有修复剂环氧树脂空心纤维应用到聚合物基复合材料中,采用手工铺层的方式在0°方向上埋入直径为60μm的空心纤维,在90°方向的空心纤维内填充固化剂,产生的裂纹使空心玻璃纤维破裂释放修复剂和固化剂,研究表明材料强度可恢复97%Williams G J等[35]利用填充有环氧树脂修复剂的空心玻璃纤维制成自修复环氧树脂复合材料,当纤维间距为70μm时,复合材料的挠曲强度明显恢复。

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