基本信息
- 项目名称：
- 碳纳米强化树脂基自修复微胶囊的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 自修复微胶囊使材料在不使用外加修补的情况下自动修复损伤，主要针对特殊环境下昂贵或不易更换的复合材料，延长材料的使用寿命。单纯使用环氧树脂作为修复剂，修复效果较差，不能满足正常使用的力学要求，同时，高分子修复剂导热导电性能较差，也限制了自修复微胶囊的应用范围。本实验对以环氧树脂为囊芯，加入酸化的碳纳米管，目的是改善固化后的力学性能，扩大微胶囊的适用范围。
- 详细介绍：
- 自修复微胶囊的想法源于生物体的自修复功能，将这一原理运用到材料中，使材料的内部损伤在不使用外加修补材料的情况下得到一定的修复。埋于基体中的微胶囊在裂纹应力的作用下破裂，从而释放出修复剂并迅速渗入裂纹,当修复剂与分散在基体中的催化剂或者固化剂接触时,就会发生化学反应粘结裂纹表面,实现材料内部损伤的自修复。 我们此前以环氧树脂为囊芯，以三聚氰胺、甲醛为囊壁进行实验，发现制备微胶囊的合适温度为70℃，最佳反应pH值为4，囊芯材料与囊壁预聚物的用量比为3：1，搅拌速度越快粒径越小。但是这种微胶囊采用单一的环氧树脂作为修复剂，固化后质脆、耐冲击和抗应力开裂的能力较差，同时，高分子本身较低的导电导热性能也限制了微胶囊的使用范围。为了提高微胶囊的力学性能，满足不同种类基体和不同使用条件的要求，需要提高修复剂环氧树脂固化后的力学性能，扩大自修复微胶囊的适用范围。 由以上分析，进一步的实验在环氧树脂中加入了酸化的碳纳米管，并探讨了合适的温度、pH值、分散次数等等影响因素。这种复合材料的电性能、导热性、吸波性能等扩大了环氧树脂修复剂的适用范围。而且在环氧树脂中加入少量的碳纳米管可降低环氧固化反应的活性能 ，从而缩短了固化时间。 实验中我们采用测量Zeta电位，准确给出了合适的实验参数，避免了多次重复试验来确定胶体颗粒的稳定性，节省了整个实验的时间。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 项目旨在开发修复复合材料的微胶囊，将其添加到材料中能有效延长特殊环境中不易维护更换的复合材料的使用寿命。碳纳米管强化的自修复微胶囊修复复合材料时，能使修复后的力学性能和本征值接近，使材料能继续使用而不必更换。 本项目首先研究了单一环氧树脂作为囊芯修复剂的微胶囊制备，并探讨了影响制备的相关条件。进一步讨论加入碳纳米管作为强化剂，并分析影响碳纳米管在环氧树脂中分散性和稳定性的条件。
科学性、先进性及独特之处
- 目前已有研究集中于微胶囊的制备方面，还未见添加碳纳米管强化修复效果的报道。有研究讨论大体积环氧树脂中添加碳纳米管后的力学、热学及电学表现，但制备方法不适用于自修复微胶囊。本作品结合了碳纳米管和自修复微胶囊的特点，采用环氧树脂/碳纳米管体系作为囊芯修复剂,探索出一套合适的制备方法。实验通过Zeta电位的测定，确定反应时合适pH值为3.5，成功地制备出粒径在3.1—5μm范围的微胶囊。
应用价值和现实意义
- 自修复微胶囊技术可以广泛应用于军事、航空、桥梁等领域。本作品在自修复微胶囊中加入碳纳米管作为强化剂，可以有效延长材料使用范围，降低更换材料产生的时间和经济成本。同时，添加碳纳米管作为强化有利于微胶囊的应用范围扩大到有导热性和导电性要求的微电子等领域。桥梁中不易修复的部位可以使用自修复微胶囊强化，延长维护周期；微电子集成芯片中易损坏的回路，可以添加碳纳米管强化的自修复微胶囊，延长使用寿命。
学术论文摘要
- 摘要：自修复微胶囊使材料在不使用外加修补的情况下自动修复损伤，主要针对特殊环境下昂贵或不易更换的复合材料，延长材料的使用寿命。 本作品先前讨论了环氧树脂囊芯、三聚氰胺+甲醛囊壁的自修复微胶囊的制备及影响因素，现在进一步探索向囊芯中加入酸化的碳纳米管，并制备相应自修复微胶囊。已发表的论文中，单一环氧树脂修复剂微胶囊的制备温度为70℃，pH=4，囊芯囊壁用量比为3:1，搅拌速度为1200rpm。进一步实验将碳纳米管酸化，通过超声分散将其加入环氧树脂乳液制得囊芯，测量Zeta电位，利用三聚氰胺和甲醛原位聚合包裹囊芯。 实验结果表明，碳纳米管酸化后，能更好地与环氧树脂结合而不发生团聚；不同的pH值，环氧树脂、囊壁、碳纳米管+环氧树脂乳液的稳定性不同，通过测量其Zeta电位，确定合适的反应pH值为3.5。最终，制备出直径可控制在3.1—5μm之间的自修复微胶囊。 碳纳米强化的自修复微胶囊相对于传统的单一修复剂微胶囊，有更广阔的应用前景，其修复效果更强，适用基体更广，更能满足复杂的使用环境要求。 关键词：环氧树脂，酸化碳纳米管，微胶囊，超声分散，Zeta电位
获奖情况
- 1、作品于2010年12月获学校摇篮杯大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 2、2011年1月，论文《The Preparation of Microcapsules Used for Self-healing Composites》被2011年化学工程与先进材料国际学术会议接受，将发表在国际期刊((Advanced Materials Research》上，被EI Compendex和ISTP检索。
鉴定结果
- 论文已被2011年化学工程与先进材料国际学术会议接受，将发表在国际期刊((Advanced Materials Research》上，被EI Compendex和ISTP检索。
参考文献
- [1]王安之，陈龙，侯薇等. 碳纳米管对环氧树脂固化反应和力学性能的影响[J] 高分子材料科学与工程,2007,23(2). [2]Dry C．Procedures developed for self-repair of polymer matrix composite materials[J]．Composite Structures，1996，35：263-269． [3]Tsu-Wei Chou, Limin Gao，Erilc T. Thostensonv, Zuoguang Zhang，Joon-Hyung Byun. An assessment of the science and technology of carbon nanotube-based fibers and composites [J]. Composites Science and Technology 70 (2010) 1一19. [4]White SR，Sottos NR，Geubelle PH，Moore JS，Kessler MR，Sriram SR，Brown EN and Viswanathan S．Autonomic healing of polymer composites[J]．Nature，2001，409：794-797． [5]田薇，王新厚，潘强，等．自修复聚合物材料用微胶囊[J]．化工学报，2005，56(6)：1138-1140． [6]X.X. Zhanga, Y.F. Fan, X.M. Tao, K.L. Yick. Fabrication and properties of microcapsules and nanocapsules containing n一octadecane [J]. Materials Chemistry and Physics 88 (2004) 300 307. [7]Erik T. Thostenson, Tsu-Wei Chou. Processing-structure-multi一functional property relationship in carbon nanotube/epoxy composites[J]. Carbon 44 (2006) 3022-3029.
同类课题研究水平概述
- White 等利用埋植微胶囊技术得到一种具有自修复功能的环氧树脂复合材料体系。该体系是以一种具有高度稳定性且黏度较低的双环戊二烯(DCPD) 单体为囊心材料，聚脲甲醛(PMU) 为囊壁,在Grubbs 催化剂的影响下产生交联聚合。在这个体系中，微胶囊技术和高分子多分子体系等有机结合起来，以达到修复目的。结果表明材料的修复效率η可高达75%。 Brown 等也研究这种自修复复合材料，讨论了材料的疲劳性能及修复效率，研究发现微胶囊的加入能明显改善环氧基体的韧性，通过优化催化剂（质量分数3%）和微胶囊的浓度(质量分数5%)，体系的修复效率高于90%。Kessler 等选择编织E–玻璃纤维/环氧树脂复合材料为载体,微胶囊体系采用环戊二烯二聚体，借此研究了层间玻璃损伤的修复情况，用来判断增强纤维存在的聚合物基复合材料自修复的能力。 Jung 等研究了一种自修复聚酯基体复合材料,在这种材料中利用埋植PMU微胶囊储备一种裂纹填充剂(主要是由苯乙烯单体和高分子量的聚苯乙烯组成)，然后将其释放至裂纹中黏合裂纹,聚酯基体网络中的官能团会引发修复行为的发生。 田薇等采用原位聚合法制备微胶囊，选用芯材DCPD， 壁材为PMU，优化工艺条件为：反应前搅拌的时间为15 min；乳化剂采用0.12%PMN； 反应时间为4 h。她们发现在相同微胶囊浓度下，随着微胶囊尺寸的增大，材料的断裂韧性呈线性下降，相对于未加工微胶囊空白试样的下降率呈线性增加；随着微胶囊浓度的增加，材料的断裂韧性也呈线性下降。
