含动态酯键环氧树脂的合成及多重响应自修复行为研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:gongbin1990
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环氧树脂因其优异的力学性能及耐腐蚀、耐高温性能而被广泛用于增材制造、工程建设、生产制造和生命医学等领域。但环氧树脂及其复合材料在长期使用过程中,在日晒雨淋等环境变化及外界刺激下,材料内部会产生微裂纹,有些裂纹很难被外部仪器检测,进而在长期使用中对环氧树脂的性能及安全使用带来潜在威胁。为解决这一问题,科研人员将动态共价键引入环氧树脂中使其具有自修复性能。其中,动态酯键自修复是在高温条件下,酯键在催化剂作用下快速发生动态交换,从而使材料获得自修复性能。另外,酯交换反应具有反应机理简单、反应速度快、材料制备高效等优点,因而便于被应用于自修复材料中。本研究设计并制备了含动态酯键的新型自修复环氧树脂,并探索将聚多巴胺和Fe3O4纳米粒子分别引入到含动态酯键的自修复环氧树脂中,制备具有多重响应自修复性能的环氧树脂。对所制备环氧树脂的力学性能、多重响应性和自修复性能等进行了详细探究,主要研究内容及结论如下:(1)含动态酯键自修复环氧树脂的制备与性能:通过环氧树脂E51与十二烷二酸和丁烷四酸反应,在醋酸锌的催化作用下制备了含动态酯键的自修复环氧树脂预聚体。之后用聚醚胺对其进一步固化,制备出含动态酯键的环氧树脂材料。通过红外光谱、差示扫描量热法对环氧树脂的化学结构与热性能进行表征分析,证明酯键的成功引入,并对合成工艺进行了优化,最终制备出具有良好拉伸性能的含动态酯键的自修复环氧树脂。(2)含动态酯键自修复环氧树脂修复行为及机理:通过对含动态酯键自修复环氧树脂修复过程的宏观观察,发现在同一温度下,试样中的划痕随热处理时间的延长而逐渐变短、变窄直至完全愈合。而随着热处理温度的升高,划痕的愈合速度逐渐加快。通过拉伸测试对不同损伤深度试样自修复效果进行定量分析,证实含动态酯键环氧树脂的修复效果随损伤深度的增加而降低。划痕深度为0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的试样的一次修复效率分别为86.2%、71.6%和68.1%。利用拉伸测试对试样的多次修复性能进行了考察,结果表明试样的修复效率随修复次数的增加而降低,第三次修复效率可达到38.0%。综合分析后对含动态酯键自修复环氧树脂的修复机理进行了探索,确定该环氧树脂材料主要通过酯交换反应实现材料的自修复。(3)聚多巴胺(PDA)改性含动态酯键自修复环氧树脂的制备及多重响应自修复行为:将聚多巴胺引入含动态酯键的自修复环氧树脂中,制得PDA改性含动态酯键的自修复环氧树脂材料。通过红外测试对改性前后材料的化学结构进行了表征,确定PDA的引入未对环氧树脂的结构造成影响。对不同PDA含量的环氧树脂进行拉伸测试,考察了PDA加入量对自修复环氧树脂力学性能的影响。研究表明随着PDA的增加,材料的拉伸强度逐渐增加,当PDA的添加量为0.4%时,拉伸强度达到了5.22 MPa,是仅含动态酯键环氧树脂的108%。通过加热和近红外光照射,发现PDA改性自修复环氧树脂能够通过加热和吸收近红外光实现材料的自修复。与热修复相比,近红外激发不仅加快了修复速度,5 min即可完成对材料的修复,其一次修复效率也提高到69.9%,为仅含动态酯键环氧树脂的119%。(4)Fe3O4纳米粒子改性含动态酯键自修复环氧树脂的制备及多重响应自修复行为:将Fe3O4引入含动态酯键的自修复环氧树脂中,制得Fe3O4改性的含动态酯键的自修复环氧树脂材料。通过红外光谱分析测试和DSC分析确定Fe3O4的引入没有改变材料的化学性能,材料仍然可以发生酯交换反应。考察了Fe3O4引入量对自修复环氧树脂力学性能的影响,结果表明:随着Fe3O4添加量的增加,材料的拉伸强度逐渐降低。当Fe3O4的添加量为0.5%时,材料的拉伸强度下降为不含Fe3O4环氧树脂的82.3%。通过对材料的不同刺激响应性能进行探索,发现该Fe3O4改性自修复环氧树脂能通过吸收近红外光和微波来实现材料的自修复。通过对不同刺激响应修复对比可以发现,近红外光激发的修复效率最高,其一次修复效率达到了70.1%。
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