环氧树脂微胶囊与潜伏性固化剂自修复体系断裂韧性的研究

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性测试 , 拉伸试样件直至断裂失效 , 到其断裂韧 得
性 ;
( ) 断裂 后 的试 样 件 裂 纹 处 嵌 合 好 , 于 烘 2将 放 箱 中二次 固化 , 于 8 ℃ 固化 1 , 于 10C固化 先 0 h再 2 ̄
3, h 令潜伏性固化剂 2 ZA i 发挥作用 , M -z e n 与微胶囊 破裂后 流出 的愈合介质发生 固化反应 , 而键合 从
脂基复合材料进行 自修复 的概念 , 在复合材料 中埋
人 装有修 复 剂 的微胶 囊 , 料产 生微 裂 纹 时 , 纹 扩 材 裂 展 导致胶 囊 破裂 释放 出修 复剂 与事 先埋 入 基体 中的 催 化剂 接触 发 生交 联 聚合 反 应 键 合 裂纹 面 , 而 达 从 到 修 复的作 用 。 目前 国内 中山大学 和西 北 工业 大 学
而影 响材料 的性能 。因此本 文 着重 研 究 了环 氧 树 脂微 胶囊 以及潜伏 性 固化 剂 的加入 对 自修 复材 料 断裂 韧性 的影 响 } 采用 咪唑 类 衍 生 物 2 4二 氨 。 ,一 基.一2’甲 基 咪 唑 基 一 1 ’ 6[ 一 ( ) ]乙 基 一一 嗪 ( 称 s三 简 2 .z e 作 为潜 伏 性 固化 剂 1 , 化 学结 构 式 MZA i ) n . 其 如 图 1所 示 。微胶囊 选 用实 验室 自制 的 环氧 树脂 微 胶囊 , 囊 直 径 为 7 胶 O~60 m, 材 含 量 为 6 % 。 0 ̄ 芯 l

1 0
环氧树脂微胶 囊与潜伏性 固化剂 自修 复体 系断裂韧性 的研究
21 0 1年 1 月 1
树脂 基体 材料 断裂韧性 随着微 胶囊 的含 量变 化 而变 化 的情况 。
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体 材料 断裂 韧性 随潜 伏性 固化 剂含 量 的变 化 而变 化
的情况 。

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性 随着微胶 囊含 量的增加而增强 , 当微胶 囊含量超过此比例后 , 基体材料 的断裂韧性 随着微胶 囊含量 的增加 而减小 , 潜伏性 固 化 剂的加入 会增大基体材料的 断裂韧性 。这与环氧树脂材料增韧理论相符合 。
关 键 词 :环 氧树 脂微 胶 囊 ;潜 伏 性 固化 剂 ;断 裂 韧 性 ;聚 合 物 ; 自修 复 材 料
[ ]乔吉超 , 1 胡小玲.自 复聚合物材料 用微胶囊 的研究进展 [ ] 修 J.
化 工 进 展 , 0 6, 5 1 ) 10 — 0 . 20 2 ( 2 :4 51 7 4
[ ]I Vc r 2 io i t C,Lr Yu o ,C a i n es it s d fa i nMok h nYnWe.Faily t yo a b i u
艺 。但 在 加 入 微 胶 囊 与 潜 伏 性 固化 剂 的 同 时 ,
剂 为 2 .z e无 锡 绍 惠 贸易 有 限责 任公 司 ; 验 MZAi , n 实 室 自制包 含 环氧树脂 的微胶囊 。所 用药 品均 未经 过
纯 化处 理 。
微胶囊或者催化剂与树脂基体会形成两相界面, 从
( ) 10份环氧树脂 E5 , 1取 0 .1搅拌条件下加入 1份 TT , 3 E A 一定量 的潜伏性 固化剂 以及一定量 的 微胶囊 , 不断搅拌至均匀分散。在搅拌过程中应注 意不要让玻璃棒接触杯壁 , 以防止微胶囊破裂而使
愈 合介 质提前 流 出固化 , 达不到 修复效 果 , 固化 剂与 微 胶囊 加入 的先后 次序也 是为 了避免微 胶囊破 裂 ;
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() 2 将上述环氧树脂混合液放人真空烘箱中抽
真空 , 以除去环 氧树脂 混合 液 中的气泡 ; ( ) 环 氧树 脂 混 合 液 浇 入 硅 胶 模 具 中 , 于 3将 放 室温 固化 4 h8 ℃后 固化 l 脱 模 。 8 ,O h,
() 3 将二次 固化后 的试样件做断裂韧性测试 , 得到其断裂韧性 K 。
3 实验结果及讨论
3 1 微胶 囊含 量 对环 氧树 脂基 体 材 料 断 裂 韧性 的 .
影 响
用, 这种粒子之间相互作用使粒子所受压应力降低。 随着微胶囊含 量的增 多, 粒子距减小而愈加 显著。 所以微胶囊含量达到一定程度会使基体材料 的断裂
2 1 第 6期 0 1年
玻 璃 钢 / 复 合 材 料

环 氧树 脂 微胶 囊 与潜 伏 性 固化 剂 自修 复体 系断 裂韧 性 的研 究
刘金 明 ,胡宏 林 ,王 荣 国 ,刘 文 博
( 哈尔滨工业 大学 复合材料与结构研究所 ,哈尔滨 10 0 ) 5 0 1
摘 要 :微胶 囊二元 自修复 系统 对聚合物基 复合材料在使 用 中产生的微小裂纹具有修 复作用 , 但微胶囊和 固化 剂的加 入会
2 3 断裂韧性 的测试 .

图 3 微胶囊含量对环氧树脂基体材料断裂韧性 的影响
() () () a ,b , c 分别为固化剂含量为 1 、% 、%时修复前 断裂 % 2 3 韧性与微胶囊含量 的关 系曲线 ; d , e , f 分别 为固化剂含量 为 ( ) () ()
l 、%、%时修复后断裂韧性与微胶囊含量 的关系 曲线 % 2 3
2 2 自修 复材料 断裂韧 性试 样件 制备 . 自修复 环氧树 脂 的裂纹扩 展行 为是 采 用锥 形 双
悬 臂 梁断裂 韧性 实验 来 研究 的 , 几何 尺 寸 如 图 2 其 。 这种几 何 尺寸 的试 件 提 供 了一 个 应 力 强 度 因子 K 和载荷 P之 问 的关 系 , 其不 依赖 于裂 纹 尺寸 使 其关 系如式 1 示 : 所
从 图中可 以看 出 , 在修复 前 , 胶 囊含 量 达 到 当微
断 裂 韧 性 试 验 采 用 ISR N 34 N T O 34拉 伸 试 验
定值之前 , 基体材料 的断裂韧性 随微胶囊含量 的
机, 加载机制为位移控制。 具体步骤如下 :
( ) 固化后 的试样 件 夹在 夹 具两 端 做 断裂 韧 1将
中 图分类号 :T 3 2 B3
文献标识码 :A
文章编号 :10 0 9 (0 10 0 0 0 0 3— 9 9 2 1 )6— 0 9— 4
1 引 言
在 聚合 物基 复合 材 料 的使 用 过 程 中 , 内部 不 其 可避 免地 会 产生 各 种 尺 寸 的微 裂 纹 , 主要 是 在 复 合
对基 体 材料 的 断 裂 韧 性 产 生影 响 。本 文 研 究 了环 氧树 脂微 胶 囊 和咪 唑 类 潜伏 性 固化 剂 对 聚 合 物 基 复合 材 料 基 体 材 料 的 断 裂
韧性 的影 响。采 用环 氧树 脂 E5 一1作为基体材料 , 乙烯 四胺 为常温固化 剂 , 唑类衍 生物 2 . z e 实验 室 自制 的包含 环 三 咪 MZA i 和 n 氧树脂 芯材 的微胶 囊为材料制作断 裂韧性拉伸试样 。实验 结果表 明 , 当微 胶 囊的含 量达到一 定比例之前 , 基体材 料的断 裂韧
4 结

() 1 微胶 囊 的加 入会 对 聚合物 基 复 合材 料 基 体 材料 的断裂 韧性 产生 影响 。在微 胶囊 比例达 到一 定 值 之前 , 裂 韧 性 随 着 微 胶 囊 含 量 的 增 加 而 增 大 。 断 当微胶 囊 比例继 续 增 大 时 , 氧树 脂 基 体 材 料 的 断 环
裂韧性开始呈下降趋势; () 2 潜伏性固化剂分子对基体材料起到增强作 用, 能提高基体拉伸强度 , 同时又能阻止裂纹 , 因而 会 增大 聚合 物基复 合材 料基 体材料 的 断裂韧性 ; () 3 微胶 囊含 量 的增 加 和潜 伏 性 固化 剂 含 量 的 增 多 对 修 复 后 的 基 体 材 料 的 断 裂 韧 性 具 有 增 强 作用。 参考文 献
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c ~ C — H2 \
N 。 二

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NH2
损伤, 使材料性 能下降, 影响材料的使用寿命

图 l 2 ZAi M — z e结构 式 n
sRWhe4等于 2 0 年 首 先 提 出采 用 微 胶 囊对 树 i l t 01
裂纹;
微胶囊 的表面材料与环氧树脂 E5 具有较好 -1 的相容性 , 因而环氧树脂微胶囊能减小基体材料 的 内应力 , 从而提高断裂韧性。但微胶囊 的含量不易 过高, 共混物受到外场力作用时 , 不仅基体对微胶囊
颗 粒产生压 力 , 同时微 胶 囊 粒子 之 间也产 生 相 互 作
2 试 验研 究
21 材 . 料
聚合 物基 复合 材 料 的基 体 材 料 为 环 氧树 脂 E - 5 , 锡树 脂 厂 ; l无 基体 固化 剂为 三 乙烯 四胺 ( E A) TT ,
分 析纯 , 天津 市德 鑫化工 贸易 有限公 司 ; 潜伏 性 固化
成功制 备 了环 氧 树脂 微 胶 囊并 优 化 了其 制 备 工
韧 性减小 。
图 3描述 了在不 同 的潜 伏性 固化剂 含 量下 环氧
研 麓
2 1 年 第 6期 01
Hale Waihona Puke 玻 璃 钢 /复 合 材 料
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3 2 潜伏 性 固化 剂 含 量 对环 氧树 脂 基 体 材 料 断 裂 . 韧 性 的影 响 图 4描 述 了在不 同的微胶 囊含 量 下环 氧树 脂 基
K= () 1

研究环氧树脂微胶囊和潜伏性固化剂的加入对基体
收 稿 日期 :2 1-20 0 o1 -7 本文作者还有郭琼。
式中, O /=1. 12×1 3 。 0m-2 /
作者 简介 :刘金 明 (9 9 ) J8 一 ,男 ,本科 。
F PC R/
2 i 01 .
增 加而增 大 , 如果 微胶 囊含量 继续增 加 , 则环 氧 树脂
基体材料的断裂韧性开始呈下降趋势。
修复后除个别点外 , 总体趋势为试样件 的断裂
韧性随着微胶囊含量 的增多而增大 ; 当微胶囊 比例 达到一定值之后 , 修复后 的试样件断裂韧性值改变
量 不大 , 说 明潜 伏 性 固化 剂 2 ZAie固化 微 胶 这 M .z n 囊 内 流 出 的 环 氧 树 脂 具 有 增 大 体 系 断 裂 韧 性 的 作用。
材料 的断裂 韧性 的影 响规律 , 分析其 原 因 , 自修 并 为
复材 料 的设 计 提供依 据 。
C 3 H
N ~ N

N - I2 I
材料 中的夹杂 、 孔洞等 缺陷处 由于应力集 中而使得

分 子 内的化 学键 断 裂 、 大分 子 与 大 分 子 间 的链 段 滑 脱 而产生 的 , 纹 的扩 展 会 导 致 复 合 材料 内部 受 到 裂
1 5 2 0 ∞吨捌 %
( a)
() b
图 2 拉 伸 试 样 尺 寸 图
常温 固化 剂选 用三 乙烯 四胺 ( E A, 量 为 环 TT 用
氧树脂质量的 1% 一1%) 在环氧树脂基体材料 2 3 ,
中预 埋分 散一定 比例 的微胶囊 和潜 伏性 固化剂 。 试样 制备具 体步骤 为 :
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