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高分子复合材料因为其轻质高强、良好的耐腐蚀性、良好的电性能等优点而在航空航天、交通、建筑、电子、体育运动、以及军事用品等多个领域广泛应用。但是,结构性的高分子材料对一些形成于材料深处且几乎不可能检测和修复到的微裂纹造成的伤害十分敏感。微裂纹造成纤维增强复合材料机械强度下降;在微电子领域应用的高分子部分产生微裂纹可能会引起断路;机械或者热引起的疲劳而产生的微裂纹也是高分子胶黏剂应用时一个长期存在的问题。聚合物材料一旦产生微裂纹,材料的完整性就受到严重地破坏。在这种背景下,产生了一个全新的概念一自修复材料,这个概念的灵感来源于生物体产生破坏时能引发自身的修复反应。这种材料能增加广泛应用的(从微电子领域到航空航天领域)热固性聚合物应用时的可靠性并且延长其使用寿命。尤其在修复比较困难的航天飞机和桥梁应用上,自修复材料拥有更大的发展潜力。目前这方面的研究工作尚处在起步阶段,但已有的研究进展已充分体现了该领域重要的理论和现实意义。
微胶囊型聚合物基自修复材料的修复是通过将修复剂和催化剂通过胶囊包裹埋在材料中组合在一起而完成的。材料产生裂缝时引起包埋胶囊的破裂,胶囊.中的修复剂通过毛细管作用释放到材料的破裂处,通过催化剂的引发在材料的裂缝处发生高分子聚合反应,达到修复的目的。
本文采用的是将双组分的微胶囊埋入到环氧树脂基体中制各自修复复合材料。采用蜜密胺树脂包裹的苯乙烯作为材料的修复剂,而在另外一种胶囊中包裹的是自由基引发剂—过氧化二苯甲酰(BPO)。首先,为了制备适用于自修复材料的微胶囊,对影响微胶囊粒径大小及其分布的诸参数进行研究,考察反应条件(乳化剂的选择和用量、pH值、乳化时间等)对微胶囊粒径分布、粒径大小和表面形态的影响,确定了制备微胶囊的工艺:反应前乳化时间为8 min,反应时pH值约为5.5,选用苯乙烯-马来酸酐共聚物(PS-MAn)和阿拉伯树胶复合乳化剂,用量约为1.4wt.%,三聚氰胺和甲醛的摩尔比约为1:2.5,乳化时搅拌速率为6000r/min,囊芯和囊壁材料的投料比约为1:2。为了研究胶囊含量和两种胶囊之间的配比对材料强度和修复效率的影响,首先固定其中一种胶囊的含量而改变另外一种胶囊的含量,然后测试其冲击强度,测试发现当苯乙烯胶囊含量为15%,BPO胶囊含量为3%时,材料表现出最好的修复效率。同时也研究了固定胶囊总含量的情况下(18%),两种胶囊的不同配比对修复效率的影响,得出最佳配比为BPO胶囊和苯乙烯胶囊质量比1:7。同时我们将上述胶囊的修复同理想修复(直接将苯乙烯和BPO混合后涂覆到断裂面进行的修复)进行对比,发现修复效率低10%左右。同时通过对材料断裂面的电镜观察,发现了破裂的胶囊。
同时,对填充胶囊复合材料的冲击强度、弯曲强度、拉伸强度、动态力学性能、热失重性能进行了研究。发现微胶囊对材料的力学性能有较大影响。微胶囊的加入诱发了应力集中,总体上导致力学性能下降。但是当胶囊含量较少或者填充胶囊的粒径比较小时,这种影响不十分明显,特别是对于静态力学性能而言。另外一方面,动态力学性能和热变形温度测试实验(HDT)均证实两种胶囊与基体之间的界面粘结良好。含有液体囊芯胶囊的加入无疑会减低环氧树脂的耐热性,但在本实验范围内,此影响并不显著。