Adv. Funct. Mater. ：通过混合微胶囊- 微血管自愈系统恢复聚合物的冲击损伤

【引言】

引入混合微胶囊 - 微血管系统，用以修复由血管化聚合物片材的冲击穿刺导致的多尺度损伤。双阶段愈合剂的微血管输送恢复损失体积（穿刺）来吸收冲击能量，而包埋微胶囊治愈微裂纹以促进密封。通过选择相容的反应性丙烯酸酯单体来实现固化后修复剂的机械性能（1.4 GPa 至 1.1 MPa 硬度）的调节。通过微血管网络将两阶段愈合剂递送至损伤部位，样本被刺破，恢复了冲击孔和周围损伤体积。两阶段愈合剂的快速胶凝使得它们能够保留在损伤区域，而随后的聚合恢复了结构性能。影响恢复效率是根据能量吸收进行评估的，比较试件和初始影响。对于最佳样本，观察到高达100％的冲击能量吸收的恢复。在静态加压下对试样进行密封试验，以监测恢复的损坏情况下的泄漏情况。包含两阶段愈合剂的微血管递送和含有溶剂化环氧化物的微胶囊的混合系统能够密封100％的样本。

【成果简介】

自修复材料在无需人为干预的情况下修复损伤，为延长使用寿命和改善工程结构的安全性提供了可能。已有研究证明可用于修复聚合物中的微裂纹和划痕以及复合材料中的冲击损伤。然而，解决诸如撞击刺破等较大规模损害，聚合物穿刺损伤的自愈合一直限于弹性体和其他非结构聚合物的修复。在这些情况下，弹性或粘弹性恢复导致穿刺部位关闭。自修复材料已被分为三类：内在的、胶囊的和血管的。 固有材料依赖于可逆的化学键合，并且需要裂纹表面的紧密接触才能进行修复。 胶囊系统包含嵌入式核壳微胶囊，在破裂时释放其反应核心。 液体芯（愈合剂）通过毛细作用力被吸入到损伤中。 根据愈合剂的组成，可以使用微胶囊来恢复机械、电或屏障特性。微血管材料能够输送比胶囊系统更多的愈合流体，并且可以促进重复损伤之后的修复，以及恢复较大损坏量。

近日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Scott R. White在Adv. Funct. Mater. 上发表了题为“Restoration of Impact Damage in Polymers via a Hybrid Microcapsule–Microvascular Self-Healing System”的文章。研究人员通过修改前人开发的两阶段愈合剂来研究改善再生冲击刺穿损伤的能量吸收和密封的方法。该文章推测恢复的能量吸收可以通过两阶段愈合剂的配制来影响，并且通过在混合微胶囊 - 微血管系统中掺入嵌入的微胶囊可以改善密封。在混合系统中，多种愈合模式被制定，分别处理两种不同的损害长度。两阶段愈合剂的微血管输送恢复了损坏体积，以恢复冲击能量吸收，并且嵌入的微胶囊治愈放射微裂纹，以促进完全密封。在最佳情况下，能量吸收可恢复到100％，并密封100％的样本。

【图文导读】

图1 混合微胶囊 - 微血管自我修复系统示意图

a）混合自愈系统的示意图。 中央穿刺和丢失的体积通过双重微血管网络用两阶段治疗剂恢复。 辐射微裂纹由破裂的微胶囊释放的反应性溶液愈合。

b）混合样品在用两级愈合剂填充损伤期间的光学图像。 

图2  用于恢复损失体积和恢复冲击能量吸收的两阶段修复剂

a）两阶段愈合剂和组分的示意图。

b-d）固化后两阶段愈合剂的机械性能。

图3 微血管标本的冲击测试

a）落锤塔式冲击器的原理图。

b）力。

c）能量曲线的初始影响和重新恢复的两阶段愈合剂修复的样本。

图4  冲击恢复效率

使用具有不同HEMA：HEA单体比例的两阶段愈合剂恢复的样品的冲击恢复效率。 使用交替加压流体输送方案通过微血管递送修复剂来恢复样本，并通过手动注射预混合的两阶段修复剂来恢复标本。

图5  修复辐射微裂纹的微胶囊和密封性能的恢复

a）含97 wt％苯乙酸乙酯（EPA）和3 wt％环氧树脂（EPON 862，DGEBF）的溶剂愈合胶囊的微胶囊破裂和裂纹愈合的示意图。

b）嵌入环氧树脂（EPON 828：DETA）中的微胶囊的光学图像的微胶囊直径直方图。

图6 冲击试样的密封测试

 a）密封测试装置的原理图。

b）密封测试实验的代表压力数据。

c）密封混合系统和控制系统的性能。

图7 不含胶囊的冲击恢复效率控制和含愈合胶囊的混合系统

【小结】

通过调整两阶段愈合剂的配方，并引入混合微胶囊 - 微血管系统，来实现能量吸收恢复和密封性能的改善。通过单独的治疗方法解决了多尺度损伤：双重微血管网络递送的两阶段治疗剂恢复了失去的体积，以恢复冲击能量吸收，而包埋的微胶囊治愈了放射微裂纹以促进密封。通过改变HEMA和HEA单体的比率来证明固化的两阶段愈合剂的机械性能的调节。当材料为高粘弹性时，观察到冲击恢复效率的最佳值，并且对于一些样品实现了超过100％的恢复。另外，结合愈合微胶囊产生了100％样本的密封。

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

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。参与高分子话题讨论或了解高分子组招募详情，请加高分子交流群（298064863）。

材料测试、数据分析，上测试谷！