基于介孔材料的微脉管型自修复聚合物复合材料

Self-repair can prolong working life for polymer and composites.The healing agent is sealed into the microcapsule and released when the material is damaged, which made the microcrack self-healed. In this method, microcapsule type and healing agent are the keys for the self-repair materials. Three-dimensional hexagonal inorganic mesoporous materials and organic porous polymers with interlinked channel structure as a shell material for a microcapsule could simulate human microvascules function, which control healing agent release resulting in self-repair repeated. Based on its interlinked channel and big pore valume, the mesoporous materials are designed as a vehicle for healing agent in order to repair microcracks of polymer and composite many times. It is investigated that the types and structures of the inorganic mesoporous materials and porous organic polymers on the absorbtion and release of the healing agent, along with the miscibility and dispersibility of the mesoporous materials in the polymer matrix.It is expected that the mesoporous materials with the highest capacity, the best miscibility and dispersibility in the polymer matrix are obtained. Based on this,the repeated self-repair haviours of the mesoporous materials loading the healing agent dispersed in the polymer matrix are highlighted. In the way, the function of the mesoporous materials in the polymer matrix is know well, and a new method for self -repairing polymer and composite during working time is proposed.

自修复能够延长聚合物及其复合材料的使用寿命，通过将愈合剂包裹于微胶囊中，在材料损伤时释放，使微裂缝自修复。微胶囊类型和愈合剂是研究自修复材料的重点所在。以三维六方结构、多尺度孔径且具有内部互通孔道的无机介孔材料或有机多孔聚合物作为包裹材料能够仿生人体微脉管作用从而控制愈合剂释放，使自修复过程多次进行。基于介孔材料的内部互通孔道和较大孔容，探索介孔材料作为愈合剂的载体用于聚合物及其复合材料的多次自修复，研究无机介孔材料和有机多孔聚合物材料类型、结构对愈合剂吸附和释放性能的影响，研究多孔材料在聚合物基体中的混溶性和分散性，提高介孔材料对愈合剂的包裹率，得到在聚合物基体材料中具有最佳混溶性和分散性的介孔材料类型和结构，在此基础上重点研究装载有愈合剂的介孔材料在聚合物基体中的多次自愈合行为，认识介孔材料作为愈合剂载体对聚合物进行多次自愈合的规律，为聚合物及其复合材料服役期间多次自愈合提供新方法。

材料在使用过程中不可避免地会出现损伤或产生裂纹，导致其力学性能下降，使用寿命缩短。将包覆愈合剂的微胶囊加入材料中可以在其出现损伤后使微胶囊破裂，从而使材料自修复，但是只能产生一次修复效果。本项目探索多孔材料作为包裹愈合剂的载体材料，研究（有机改性）无机介孔材料、有机多孔聚合物、微胶囊等材料类型、结构对愈合剂吸附和释放性能的影响，从中选择合适的多孔材料，得到在聚合物基体中具有较好分散性的多孔材料类型，研究在多孔材料中的（活性）自由基聚合反应，研究装载有愈合剂的多孔材料在聚合物基体中的多次自修复行为，为聚合物及其复合材料服役期间多次自愈合提供新方法。研究结果表明：介孔材料SBA-15吸附愈合剂双环戊二烯（DCPD）很快，但释放慢；改性的SBA-15吸附量下降，100h后释放率达72.5%；多孔聚合物polyHIPE吸附DCPD大（1450%），3h的释放量为30%，适合作为愈合剂载体；微胶囊在24h后胶囊的释放率仅为10%。在受限的polyHIPEs块体孔穴中聚合得到的聚合物分子量较高，分子量分布较宽，玻璃化转变温度升高；随着孔穴孔径增大，空间限制作用减弱。相较于普通的RATRP溶液聚合，多孔聚合物块体内部RATRP聚合所得PMMA的数均分子量明显增大，初始分解温度明显增加。高浓度聚乙烯醇（PVA）水凝胶具有一定的修复功能，分子量大的PVA制备的水凝胶自修复性能好；其中冷冻时间为2 h，解冻时间为1 h，一次冷冻-解冻循环制备得到的水凝胶自修复性能最好，最佳修复时间为12 h，能较好的进行多次自修复。在一定范围内微胶囊粒径增加，复合材料的自修复效率增加；微胶囊用量增加，复合材料自修复效率提高，但是有一个最佳用量，微胶囊有一定的多次自修复性能。将饱和吸附DCPD/St混合液的SBA-15加入到环氧树脂中，自修复效率随着SBA-15和催化剂用量的增加而增加，在SBA-15用量为5%，催化剂用量为1‰时自修复性能最好（90%）；偶联剂改性后的SBA-15提高了被修复材料的初始断裂韧性，提高了修复效率；多次修复后，材料修复率依次降低。