自愈合材料的合成与表征

《自愈合材料的合成与表征》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自愈合材料的合成与表征（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 自愈合材料的合成与表征 化学专业 本科 指导教师：陈红梅 摘要 自愈合材料就是利用材料的自我感知能力对微裂痕产生感应，进一步进行自我修复以恢复力学性能。本实验目的在于合成PEG800030%-HDI-DMPA、PEG800030%-HDI-DMPA-季戊四醇和PEG800030%-HDI-BDO，经过实验检测PEG800030%-HDI-DMPA和PEG800030%-HDI-DMPA-季戊四醇具有自愈合性而PEG800030%-HDI-BDO不具有自愈合性。关键词： 自愈合 感知能力 恢复ABSTRACT Self-healing material is the use of self a

2、wareness produces induction to haircuts,furtherer to repair itself to restore mechanical properties.The purpose of this experiment is to synthesis PEG800030%-HDI-DMPA、PEG800030%-HDI-DMPA-PER andPEG800030%-HDI-BDO, Through experimental detection PEG800030%-HDI-DMPA and PEG800030%-HDI-DMPA-PER have a

3、self cooling, but PEG800030%-HDI-BDO have not self cooling.Keywords:self-healing perception recovery 自愈合材料的合成与表征1. 绪论 1.1引言 高分子聚合物材料具有强度高、质量轻、加工性能好，并且广泛应用在交通（汽车、飞机、轮船和航天器）、体育用品、土木工程、电子等诸多领域1。但是高分子聚合物材料在使用时容易受到外界影响，如热和光等因素的影响2，产生微裂纹，微裂纹的产生会导致高分子聚合物材料热机性能的降低，而且这种微裂纹难以检测，显然用传统的修复方式是行不通的，所以只有另辟蹊径，而与高分子聚

4、合物材料相比，很多活着的生物系统能够对损伤部位产生反应，即生物体的损伤部位会发生自愈合。通常这些植物体或者动物体在某些部位受伤时会分泌出不同的液体在受伤部位结痂或重建。正是受这种现象的影响推动着人类探索自愈合材料的脚步。 随着科学的发展，20世纪80年代中期自愈合材料的概念被美国军方首先提出，正是因为自愈合材料能对外界环境变化因素产生感知，自动作出恰当，适应和灵敏的响应，而且还有自我诊断、自我调节、自我修复等功能3。而且自愈合材料已经在交通（汽车、飞机、轮船和航天器）、体育用品、土木工程、电子等诸多应用领域。所以在科学界引起了高度的重视。具有自愈合功能的材料主要有热塑型和热固型两种。而本实验目

5、的在于合成具有自愈合功能的热塑性材料。热塑性材料的自愈合与热固性材料的自愈合相比，优势在于他不需要大量的人工和复杂的过程，而且热塑型材料更适用于聚合物加工。但是热塑性材料也有局限性，愈合时间有可能会很长，同时温度的高低对热塑型材料的自愈合也有影响。 本文主要探讨热塑型自愈合高分子材料的合成方案、从定量和定性两个角度来验证材料的自愈合性能。1.2 自愈合材料1.2.1自愈合材料的定义 自愈合材料是科学界研发出的一种新型材料，自愈合就是利用材料的自我感知能力，对材料中的细微裂纹产生影响，再进一步引发自我修复，以恢复其力学性能，延长材料的使用寿命。对于高分子材料的自愈合，通常是将愈合剂用某种方式埋在

6、高分子基质中，当高分子材料产生破裂时愈合剂流出，修复裂纹，或者利用高聚物或单个聚合物通过许多链断相互扩散的自愈合方法。1.2.2 自愈合材料的发展以及研究现状 自愈合的核心是能量补给和物质补给，模仿生物体损伤愈合的机理，使复合材料对内部和外部损伤能够进行自愈合，进而消除隐患，增强材料的机械强度。自愈合材料的是20世纪80年代被提出来的，这是一种为延长聚合物使用寿命和治愈无形微裂痕的手段，直到2001年White4等科学家报到出关于这方面的研究激发了科学界的广泛兴趣，如美国航空局和欧洲航空局都对此方法和材料给予了高度的关注。2002年美国把军用装备的自修复、自愈合材料研究被列到提升装备性能的关键

7、技术中5。同时，2007年2月份在荷兰的代尔夫技术大学还举办了关于自愈合材料的第一届国际会议。 近年来，自愈合材料研究发展迅速，且合成的自愈合材料应用广泛，如电网技术领域，医学领域、通信领域、建材领域等，自愈合材料在这些领域的应用给我们的生活带来很多便利。同时也激励我们继续研究自愈合材料带给我们的好处。1.2.3自愈合材料的分类和应用 到目前为止，人们合成的自愈合材料已经很多了，除金属合金外，陆续合成了具有自愈合的陶瓷、聚合物、凝胶等。自愈合材料主要分热塑型自愈合材料和热固型自愈合材料。不管是热塑型自愈合材料还是热固型自愈合材料现在都得到了广泛地应用，如电网技术领域，医学领域、通信领域、建材领

8、域等。1.2.4 几种常见的热塑型自愈合材料的愈合机理（1）分子互扩散导致的自愈合 热塑性聚合物通过分子相互扩散裂纹愈合在20 世纪80 年代被广泛研究。且研究覆盖了非晶聚合物、半结晶聚合物、嵌段共聚物和纤维增强复合材料。研究发现，当两个相同的聚合物在高于其玻璃化转变温度时进行接触，会导致两者的接口逐渐消失，就像界面上的分子扩散裂纹愈合一样，这使得聚合物界面的力学强度增大。自愈合过程在真空或大气压下进行，愈合时间从几分钟到几年不等，而许多链段（不是整个链）相互扩散被发现是其中最有可能的自愈合机理。（2）由光引发的自愈合 第一个由光引发自愈合的例子是由Chung 等人提出的6。应用光的环加成反应

9、产生环丁烷结构，所以光化学2+2的环加成反应被选作一种愈合机理，而且这一机理也得到了验证，结果表明，只有在波长吻合的情况下才发生反应，这一情况也能证明此愈合机理是由光引发的。（3）通过形成可逆键的自愈合7 热塑性塑料链中的流动性也可以通过在环境温度下在聚合物基中引入可逆键来治愈断裂。这提供了一种可替代紫外线或催化剂引发的共价键愈合的方法，并利用氢或离子键治愈受损的聚合物网络。（4）纳米粒子自愈合8 用纳米粒子修复聚合物材料的裂纹是新兴起的一种非常有趣的产生自愈合材料的方法这项技术不同于前面所述的自愈合技术，因为它不涉及破坏和聚合物链的重新链接，它是使用一种分散颗粒相，以填补裂缝和缺陷。 这种自

10、动反应愈合技术的关键要求之一是类似于Glogowski 等人所描述过的，有合适的配体纳米粒子使表面职能化。进一步研究和发展这一机理必须确认纳米粒子聚集在厚基板，裂缝上发生的愈合，进一步理解纳米粒子填充裂缝的特点和耐久性。（5）混合磨损自愈合材料9 混合磨损自修复材料又称为金属磨损自修复材料，是一种由羟基硅酸镁等多种矿物成分、添加剂和催化剂等构成的复杂组分超细粉体组合材料，组分的粒度为0.110 m，可以添加到各种类型的润滑油（脂）中使用。以润滑油（脂）作为载体，将修复材料的超细粉粒送入工作面。这种自修复材料的保护层不仅能够补偿间隙，使零件恢复原始形状，而且还可以优化配合间隙，有利于降低摩擦振动

11、，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化。而且，它不与油品发生化学反应，不改变油的黏度等性质，也无毒副作用，是摩擦学领域的一枝新秀。2. 实验部分2.1实验试剂及仪器2.1.1实验试剂（1）N,N-二甲基甲酰胺(DMF）： 英文名称:N,N-Dimethylformamide。 分子式:C3H7NO； 分子量:73.09； 规格:分析纯（AR） 物理性质:无色有鱼腥味的液体；沸点：152.8；熔点：-61；相对密度：0.9445 化学性质:有毒性；自燃点445；蒸气与空气混合物爆炸极限2.215.2 % ；遇明火、高热可引起燃烧爆炸；能与浓硫酸、发烟硝酸剧烈反应甚

12、至发生爆炸。 生产厂家:成都市科龙化工试剂厂（2）季戊四醇：（PER） 英文名称:Pentaerythrite ;Pentaerythritol 分子式:C5H12O4 分子量:136.15 物理性质:白色结晶或粉末且略有甜味；沸点：276；熔点：261262；相对密度：1.395。 化学性质:基本无毒；在空气中很稳定，不易吸水。 生产厂家:成都市科龙化工试剂厂（3）2,2-二羟甲基丙酸（DMPA） 英文名称:2,2-Dimethylol Propionic Acid 分子式:C5H10O4 分子量:134.13 物理性质:白色粉末，无味；熔点为180oC 化学性质:溶于DMF；它有良好的耐热

13、性、耐水性和颜色稳定性；带有羧基的二元醇结构又赋予它一些特殊用途。 生产厂家:成都市科龙化工试剂厂（4）1,4丁二醇（BDO） 英文名称: butane-1,1-diol 分子式:C4H10O2 分子量:90.12 物理性质:无色粘稠油状液体;沸点228;熔点20.2，相对密度1.0171. 化学性质:有毒；能与水混溶，有吸湿性，味苦 生产厂家:成都市科龙化工试剂厂（5）二甲基硅油（PDMS） 黏度:4S-230000S 纯度:分析纯（AR） 物理性质:二甲基硅油无毒无味。 化学性质:具有生理惰性、良好的化学稳定性、电绝缘性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50200下长期使用

14、。 生产厂家:成都市科龙化工试剂厂（6）六亚甲基二异氰酸酯(HDI) 英文名称：Hexamethylene Diisocyanate 分子式：C8H12N2O2 分子量：168.19 物理性质：无色或者微黄色的液体，有特殊刺激性气味；沸点225 化学性质：本产品有毒，对眼、皮肤、粘膜有强烈刺激；微溶于水，在水中缓慢反应。2.1.2实验仪器 表2-1主要的化学仪器设备生产厂家玻璃仪器气流烘干器巩义市予华仪器有限公司拉伸仪器广州市广材实验仪器有限公司DF-101B集热式恒温加热磁力搅拌器巩义市予华仪器有限公司真空干燥箱上海一恒科学仪器有限公司DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱上海三发科学仪器有限公司中兴旋片式真空泵北京中兴伟业仪器有限公司DSC Q100 分析仪美国AC公司分析天平梅特勒公司2.2实验过程2.2.1 PEG800030%-HDI-DMPA的制备 （1） PEG800030%-HDI-DMPA的合成路线如下所示： PEG1.5g(0