Adv. Funct. Mater. ：通過混合微膠囊- 微血管自愈系統恢復聚合物的沖擊損傷

【引言】

引入混合微膠囊 - 微血管系統，用以修復由血管化聚合物片材的沖擊穿刺導致的多尺度損傷。雙階段愈合劑的微血管輸送恢復損失體積（穿刺）來吸收沖擊能量，而包埋微膠囊治愈微裂紋以促進密封。通過選擇相容的反應性丙烯酸酯單體來實現固化后修復劑的機械性能（1.4 GPa 至 1.1 MPa 硬度）的調節。通過微血管網絡將兩階段愈合劑遞送至損傷部位，樣本被刺破，恢復了沖擊孔和周圍損傷體積。兩階段愈合劑的快速膠凝使得它們能夠保留在損傷區域，而隨后的聚合恢復了結構性能。影響恢復效率是根據能量吸收進行評估的，比較試件和初始影響。對于最佳樣本，觀察到高達100％的沖擊能量吸收的恢復。在靜態加壓下對試樣進行密封試驗，以監測恢復的損壞情況下的泄漏情況。包含兩階段愈合劑的微血管遞送和含有溶劑化環氧化物的微膠囊的混合系統能夠密封100％的樣本。

【成果簡介】

自修復材料在無需人為干預的情況下修復損傷，為延長使用壽命和改善工程結構的安全性提供了可能。已有研究證明可用于修復聚合物中的微裂紋和劃痕以及復合材料中的沖擊損傷。然而，解決諸如撞擊刺破等較大規模損害，聚合物穿刺損傷的自愈合一直限于彈性體和其他非結構聚合物的修復。在這些情況下，彈性或粘彈性恢復導致穿刺部位關閉。自修復材料已被分為三類：內在的、膠囊的和血管的。 固有材料依賴于可逆的化學鍵合，并且需要裂紋表面的緊密接觸才能進行修復。 膠囊系統包含嵌入式核殼微膠囊，在破裂時釋放其反應核心。 液體芯（愈合劑）通過毛細作用力被吸入到損傷中。 根據愈合劑的組成，可以使用微膠囊來恢復機械、電或屏障特性。微血管材料能夠輸送比膠囊系統更多的愈合流體，并且可以促進重復損傷之后的修復，以及恢復較大損壞量。

近日，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Scott R. White在Adv. Funct. Mater. 上發表了題為“Restoration of Impact Damage in Polymers via a Hybrid Microcapsule–Microvascular Self-Healing System”的文章。研究人員通過修改前人開發的兩階段愈合劑來研究改善再生沖擊刺穿損傷的能量吸收和密封的方法。該文章推測恢復的能量吸收可以通過兩階段愈合劑的配制來影響，并且通過在混合微膠囊 - 微血管系統中摻入嵌入的微膠囊可以改善密封。在混合系統中，多種愈合模式被制定，分別處理兩種不同的損害長度。兩階段愈合劑的微血管輸送恢復了損壞體積，以恢復沖擊能量吸收，并且嵌入的微膠囊治愈放射微裂紋，以促進完全密封。在最佳情況下，能量吸收可恢復到100％，并密封100％的樣本。

【圖文導讀】

圖1 混合微膠囊 - 微血管自我修復系統示意圖

a）混合自愈系統的示意圖。 中央穿刺和丟失的體積通過雙重微血管網絡用兩階段治療劑恢復。 輻射微裂紋由破裂的微膠囊釋放的反應性溶液愈合。

b）混合樣品在用兩級愈合劑填充損傷期間的光學圖像。?

圖2??用于恢復損失體積和恢復沖擊能量吸收的兩階段修復劑

a）兩階段愈合劑和組分的示意圖。

b-d）固化后兩階段愈合劑的機械性能。

圖3 微血管標本的沖擊測試

a）落錘塔式沖擊器的原理圖。

b）力。

c）能量曲線的初始影響和重新恢復的兩階段愈合劑修復的樣本。

圖4? 沖擊恢復效率

使用具有不同HEMA：HEA單體比例的兩階段愈合劑恢復的樣品的沖擊恢復效率。 使用交替加壓流體輸送方案通過微血管遞送修復劑來恢復樣本，并通過手動注射預混合的兩階段修復劑來恢復標本。

圖5? 修復輻射微裂紋的微膠囊和密封性能的恢復

a）含97 wt％苯乙酸乙酯（EPA）和3 wt％環氧樹脂（EPON 862，DGEBF）的溶劑愈合膠囊的微膠囊破裂和裂紋愈合的示意圖。

b）嵌入環氧樹脂（EPON 828：DETA）中的微膠囊的光學圖像的微膠囊直徑直方圖。

圖6?沖擊試樣的密封測試

?a）密封測試裝置的原理圖。

b）密封測試實驗的代表壓力數據。

c）密封混合系統和控制系統的性能。

圖7?不含膠囊的沖擊恢復效率控制和含愈合膠囊的混合系統

【小結】

通過調整兩階段愈合劑的配方，并引入混合微膠囊 - 微血管系統，來實現能量吸收恢復和密封性能的改善。通過單獨的治療方法解決了多尺度損傷：雙重微血管網絡遞送的兩階段治療劑恢復了失去的體積，以恢復沖擊能量吸收，而包埋的微膠囊治愈了放射微裂紋以促進密封。通過改變HEMA和HEA單體的比率來證明固化的兩階段愈合劑的機械性能的調節。當材料為高粘彈性時，觀察到沖擊恢復效率的最佳值，并且對于一些樣品實現了超過100％的恢復。另外，結合愈合微膠囊產生了100％樣本的密封。

文獻鏈接：Restoration of Impact Damage in Polymers via a Hybrid Microcapsule–Microvascular Self-Healing System（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201704197）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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