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基本信息

項(xiàng)目名稱：
碳納米強(qiáng)化樹(shù)脂基自修復(fù)微膠囊的制備
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
自修復(fù)微膠囊使材料在不使用外加修補(bǔ)的情況下自動(dòng)修復(fù)損傷，主要針對(duì)特殊環(huán)境下昂貴或不易更換的復(fù)合材料，延長(zhǎng)材料的使用壽命。單純使用環(huán)氧樹(shù)脂作為修復(fù)劑，修復(fù)效果較差，不能滿足正常使用的力學(xué)要求，同時(shí)，高分子修復(fù)劑導(dǎo)熱導(dǎo)電性能較差，也限制了自修復(fù)微膠囊的應(yīng)用范圍。本實(shí)驗(yàn)對(duì)以環(huán)氧樹(shù)脂為囊芯，加入酸化的碳納米管，目的是改善固化后的力學(xué)性能，擴(kuò)大微膠囊的適用范圍。
詳細(xì)介紹：
自修復(fù)微膠囊的想法源于生物體的自修復(fù)功能，將這一原理運(yùn)用到材料中，使材料的內(nèi)部損傷在不使用外加修補(bǔ)材料的情況下得到一定的修復(fù)。埋于基體中的微膠囊在裂紋應(yīng)力的作用下破裂，從而釋放出修復(fù)劑并迅速滲入裂紋,當(dāng)修復(fù)劑與分散在基體中的催化劑或者固化劑接觸時(shí),就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)粘結(jié)裂紋表面,實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部損傷的自修復(fù)。 我們此前以環(huán)氧樹(shù)脂為囊芯，以三聚氰胺、甲醛為囊壁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)制備微膠囊的合適溫度為70℃，最佳反應(yīng)pH值為4，囊芯材料與囊壁預(yù)聚物的用量比為3：1，攪拌速度越快粒徑越小。但是這種微膠囊采用單一的環(huán)氧樹(shù)脂作為修復(fù)劑，固化后質(zhì)脆、耐沖擊和抗應(yīng)力開(kāi)裂的能力較差，同時(shí)，高分子本身較低的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能也限制了微膠囊的使用范圍。為了提高微膠囊的力學(xué)性能，滿足不同種類基體和不同使用條件的要求，需要提高修復(fù)劑環(huán)氧樹(shù)脂固化后的力學(xué)性能，擴(kuò)大自修復(fù)微膠囊的適用范圍。 由以上分析，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)在環(huán)氧樹(shù)脂中加入了酸化的碳納米管，并探討了合適的溫度、pH值、分散次數(shù)等等影響因素。這種復(fù)合材料的電性能、導(dǎo)熱性、吸波性能等擴(kuò)大了環(huán)氧樹(shù)脂修復(fù)劑的適用范圍。而且在環(huán)氧樹(shù)脂中加入少量的碳納米管可降低環(huán)氧固化反應(yīng)的活性能 ，從而縮短了固化時(shí)間。 實(shí)驗(yàn)中我們采用測(cè)量Zeta電位，準(zhǔn)確給出了合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，避免了多次重復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定膠體顆粒的穩(wěn)定性，節(jié)省了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

作品圖片

  • 碳納米強(qiáng)化樹(shù)脂基自修復(fù)微膠囊的制備
  • 碳納米強(qiáng)化樹(shù)脂基自修復(fù)微膠囊的制備
  • 碳納米強(qiáng)化樹(shù)脂基自修復(fù)微膠囊的制備

作品專業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)修復(fù)復(fù)合材料的微膠囊，將其添加到材料中能有效延長(zhǎng)特殊環(huán)境中不易維護(hù)更換的復(fù)合材料的使用壽命。碳納米管強(qiáng)化的自修復(fù)微膠囊修復(fù)復(fù)合材料時(shí)，能使修復(fù)后的力學(xué)性能和本征值接近，使材料能繼續(xù)使用而不必更換。 本項(xiàng)目首先研究了單一環(huán)氧樹(shù)脂作為囊芯修復(fù)劑的微膠囊制備，并探討了影響制備的相關(guān)條件。進(jìn)一步討論加入碳納米管作為強(qiáng)化劑，并分析影響碳納米管在環(huán)氧樹(shù)脂中分散性和穩(wěn)定性的條件。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

目前已有研究集中于微膠囊的制備方面，還未見(jiàn)添加碳納米管強(qiáng)化修復(fù)效果的報(bào)道。有研究討論大體積環(huán)氧樹(shù)脂中添加碳納米管后的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)表現(xiàn)，但制備方法不適用于自修復(fù)微膠囊。本作品結(jié)合了碳納米管和自修復(fù)微膠囊的特點(diǎn)，采用環(huán)氧樹(shù)脂/碳納米管體系作為囊芯修復(fù)劑,探索出一套合適的制備方法。實(shí)驗(yàn)通過(guò)Zeta電位的測(cè)定，確定反應(yīng)時(shí)合適pH值為3.5，成功地制備出粒徑在3.1—5μm范圍的微膠囊。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

自修復(fù)微膠囊技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于軍事、航空、橋梁等領(lǐng)域。本作品在自修復(fù)微膠囊中加入碳納米管作為強(qiáng)化劑，可以有效延長(zhǎng)材料使用范圍，降低更換材料產(chǎn)生的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。同時(shí)，添加碳納米管作為強(qiáng)化有利于微膠囊的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到有導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性要求的微電子等領(lǐng)域。橋梁中不易修復(fù)的部位可以使用自修復(fù)微膠囊強(qiáng)化，延長(zhǎng)維護(hù)周期；微電子集成芯片中易損壞的回路，可以添加碳納米管強(qiáng)化的自修復(fù)微膠囊，延長(zhǎng)使用壽命。

學(xué)術(shù)論文摘要

摘要：自修復(fù)微膠囊使材料在不使用外加修補(bǔ)的情況下自動(dòng)修復(fù)損傷，主要針對(duì)特殊環(huán)境下昂貴或不易更換的復(fù)合材料，延長(zhǎng)材料的使用壽命。 本作品先前討論了環(huán)氧樹(shù)脂囊芯、三聚氰胺+甲醛囊壁的自修復(fù)微膠囊的制備及影響因素，現(xiàn)在進(jìn)一步探索向囊芯中加入酸化的碳納米管，并制備相應(yīng)自修復(fù)微膠囊。已發(fā)表的論文中，單一環(huán)氧樹(shù)脂修復(fù)劑微膠囊的制備溫度為70℃，pH=4，囊芯囊壁用量比為3:1，攪拌速度為1200rpm。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)將碳納米管酸化，通過(guò)超聲分散將其加入環(huán)氧樹(shù)脂乳液制得囊芯，測(cè)量Zeta電位，利用三聚氰胺和甲醛原位聚合包裹囊芯。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管酸化后，能更好地與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而不發(fā)生團(tuán)聚；不同的pH值，環(huán)氧樹(shù)脂、囊壁、碳納米管+環(huán)氧樹(shù)脂乳液的穩(wěn)定性不同，通過(guò)測(cè)量其Zeta電位，確定合適的反應(yīng)pH值為3.5。最終，制備出直徑可控制在3.1—5μm之間的自修復(fù)微膠囊。 碳納米強(qiáng)化的自修復(fù)微膠囊相對(duì)于傳統(tǒng)的單一修復(fù)劑微膠囊，有更廣闊的應(yīng)用前景，其修復(fù)效果更強(qiáng)，適用基體更廣，更能滿足復(fù)雜的使用環(huán)境要求。 關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂，酸化碳納米管，微膠囊，超聲分散，Zeta電位

獲獎(jiǎng)情況

1、作品于2010年12月獲學(xué)校搖籃杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。 2、2011年1月，論文《The Preparation of Microcapsules Used for Self-healing Composites》被2011年化學(xué)工程與先進(jìn)材料國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議接受，將發(fā)表在國(guó)際期刊((Advanced Materials Research》上，被EI Compendex和ISTP檢索。

鑒定結(jié)果

論文已被2011年化學(xué)工程與先進(jìn)材料國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議接受，將發(fā)表在國(guó)際期刊((Advanced Materials Research》上，被EI Compendex和ISTP檢索。

參考文獻(xiàn)

[1]王安之，陳龍，侯薇等. 碳納米管對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)和力學(xué)性能的影響[J] 高分子材料科學(xué)與工程,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，潘強(qiáng)，等．自修復(fù)聚合物材料用微膠囊[J]．化工學(xué)報(bào)，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.

同類課題研究水平概述

White 等利用埋植微膠囊技術(shù)得到一種具有自修復(fù)功能的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料體系。該體系是以一種具有高度穩(wěn)定性且黏度較低的雙環(huán)戊二烯(DCPD) 單體為囊心材料，聚脲甲醛(PMU) 為囊壁,在Grubbs 催化劑的影響下產(chǎn)生交聯(lián)聚合。在這個(gè)體系中，微膠囊技術(shù)和高分子多分子體系等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到修復(fù)目的。結(jié)果表明材料的修復(fù)效率η可高達(dá)75%。 Brown 等也研究這種自修復(fù)復(fù)合材料，討論了材料的疲勞性能及修復(fù)效率，研究發(fā)現(xiàn)微膠囊的加入能明顯改善環(huán)氧基體的韌性，通過(guò)優(yōu)化催化劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%）和微膠囊的濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)，體系的修復(fù)效率高于90%。Kessler 等選擇編織E–玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料為載體,微膠囊體系采用環(huán)戊二烯二聚體，借此研究了層間玻璃損傷的修復(fù)情況，用來(lái)判斷增強(qiáng)纖維存在的聚合物基復(fù)合材料自修復(fù)的能力。 Jung 等研究了一種自修復(fù)聚酯基體復(fù)合材料,在這種材料中利用埋植PMU微膠囊儲(chǔ)備一種裂紋填充劑(主要是由苯乙烯單體和高分子量的聚苯乙烯組成)，然后將其釋放至裂紋中黏合裂紋,聚酯基體網(wǎng)絡(luò)中的官能團(tuán)會(huì)引發(fā)修復(fù)行為的發(fā)生。 田薇等采用原位聚合法制備微膠囊，選用芯材DCPD， 壁材為PMU，優(yōu)化工藝條件為：反應(yīng)前攪拌的時(shí)間為15 min；乳化劑采用0.12%PMN； 反應(yīng)時(shí)間為4 h。她們發(fā)現(xiàn)在相同微膠囊濃度下，隨著微膠囊尺寸的增大，材料的斷裂韌性呈線性下降，相對(duì)于未加工微膠囊空白試樣的下降率呈線性增加；隨著微膠囊濃度的增加，材料的斷裂韌性也呈線性下降。
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