微胶囊型自修复环氧树脂复合材料的制备及性能研究

摘要

微胶囊技术是聚合物基复合材料自修复领域应用最多的自修复方法。利用埋植在基体中的微胶囊破裂时释放出的修复剂对裂纹进行修复。将包覆有修复剂的微胶囊与催化剂一起植入到基体材料中，当基体材料产生微裂纹时，微胶囊破裂，胶囊内的修复剂由于毛细管虹吸作用迅速渗入裂纹表面，与分散在基体中的催化剂接触而发生聚合反应，生成高度交联的聚合物，将裂纹表面粘合，从而达到自修复的目的。
　　 本文以尿素、甲醛为囊壁原料，以E-51环氧树脂为囊芯，采用原位聚合法制备了聚脲甲醛包覆环氧树脂微胶囊。考察了原料配比、酸化时间、乳化剂的种类及用量对微胶囊合成的影响，确定了优化的合成工艺。实验结果表明:当原料配比控制在1∶1到0.8∶1，酸化时间为2h，采用十二烷基苯磺酸钠(DBS)做乳化剂，DBS的用量为芯材质量的1.0wt％时，可以得到表面致密、结构良好、粒径分布均匀的微胶囊。采用金相显微镜测量了微胶囊的粒径大小及分布，采用扫描电子显微镜(SEM)观察微胶囊的表面形貌，利用红外光谱仪(FTIR)分析了微胶囊的化学结构，通过热失重(TGA)分析了微胶囊的热稳定性能。研究结果表明:环氧树脂芯材成功被脲醛树脂包覆，微胶囊呈规则的球形，表面粗糙致密，很少粘连，微胶囊的粒径范围在20-200μm，平均粒径为102μm，囊芯含量可达86.8％，热稳定性能良好，热稳定温度在260℃左右。
　　 将环氧树脂微胶囊与潜伏性固化剂邻苯二甲酸酐组成的自修复体系植入到WSR706固化剂固化的E-44环氧树脂基体中，制备了微胶囊型自修复环氧树脂复合材料，采用简支梁冲击试验机测试了自修复试样修复前后的冲击强度，并计算得到自修复效率。考察了自修复体系对基体材料力学性能的影响，微胶囊植入使基体材料的冲击强度逐渐下降，潜伏性固化剂的少量植入(＜2.0wt％)对基体材料有一定的增韧作用。研究了微胶囊的含量对试样的自修复效率的影响，最佳微胶囊和潜伏性固化剂的用量分别为8.0wt％和3.0wt％，最佳自修复效率为81.5％。并研究了微胶囊的含量对试样的多次修复效率的影响，自修复试样的自修复效率随着修复次数的增加而下降，随着微胶囊含量的增加，试样的多次修复效率增加，当微胶囊的含量为10.0wt％时，自修复试样的一次、二次、三次自修复效率分别可达79.4％、66.9％、63.2％。采用扫描电镜表征了自修复试样的断面形貌，微胶囊的植入使得环氧树脂复合材料的冲击断面形貌从平整形态向针状斑纹形态转变。
　　 对热焊接修复方法、液芯纤维修复方法、微胶囊修复方法在自修复环氧树脂复合材料的制备、自修复体系对基体材料力学性能的影响以及试样的自修复效率等方面对三种自修复方法进行比较。热焊接法属于原位式修复，试样制备比较简单，而微胶囊法和液芯纤维法属于埋植型修复，都需要将修复剂通过包封的方法保护起来。热焊接法对基体材料冲击强度几乎没有影响，微胶囊的植入使基体材料的冲击强度缓慢下降，基体的冲击强度随着毛细玻璃管内径的增加先增大后减小。微胶囊法和液芯纤维法的修复效率较高，可达60％-80％，而热焊接法的修复效率只能达到20％-40％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 微胶囊技术介绍

1．2．1 微胶囊的概念

1．2．2 微胶囊化的目的和意义

1．2．3 微胶囊的制备方法

1．3 微胶囊自修复技术研究进展

1．3．1 微胶囊自修复技术的原理

1．3．2 微胶囊自修复技术的类型

1．3．3 自修复微胶囊在聚合物基复合材料中的应用

1．3．4 微胶囊自修复方法的缺点

1．4 本课题的主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料与仪器设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验设备与仪器

2．2 聚脲甲醛包覆环氧树脂微胶囊的制备

2．2．1 芯材、壁材的选择

2．2．2 实验原理

2．2．3 微胶囊的合成方法

2．3 微胶囊的结构表征和性能测试

2．3．1 微胶囊的形貌表征

2．3．2 微胶囊的粒径测试

2．3．3 微胶囊的化学结构分析

2．3．4 微胶囊的热稳定性分析

2．3．5 微胶囊的囊芯含量的测定

2．4 自修复环氧树脂复合材料的制备及自修复性能研究

2．4．1 空白环氧树脂基体试样的制备

2．4．2 自修复环氧树脂复合材料的制备

2．4．3 自修复环氧树脂复合材料的冲击性能测试

2．4．4 自修复环氧树脂复合材料的自修复效率表征

第三章 聚脲甲醛包覆环氧树脂微胶囊的合成与表征

3．1 环氧树脂微胶囊的形成过程

3．2 聚脲甲醛预聚体的合成工艺研究

3．2．1 尿素和甲醛摩尔比的确定

3．2．2 pH值的确定

3．3 环氧树脂微胶囊的合成工艺研究

3．3．1 原料配比对微胶囊的影响

3．3．2 酸化时间对微胶囊的影响

3．3．3 乳化剂对微胶囊的影响

3．4 环氧树脂微胶囊的结构与性能表征

3．4．1 微胶囊的形貌表征

3．4．2 微胶囊的粒径分布

3．4．3 微胶囊的化学结构表征

3．4．4 微胶囊的热性能表征

3．4．5 微胶囊的耐热性分析

3．5 本章小结

第四章 自修复环氧树脂复合材料的制备与表征

4．1 潜伏性固化剂的选择

4．2 环氧树脂自修复效率研究

4．2．1 自修复体系的自修复机理

4．2．2 微胶囊对复合材料冲击强度的影响

4．2．3 潜伏性固化剂对复合材料冲击强度的影响

4．2．4 自修复环氧树脂复合材料的自修复效率

4．2．5 多次修复效率

4．3 断面形貌表征

4．4 本章小结

第五章 三种自修复方法的比较

5．1 自修复环氧树脂复合材料的制备

5．2 自修复体系对基体材料冲击强度的影响

5．3 三种修复方法的自修复效率

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文