自修复材料19315115徐硕
可以自我修复的新材料
可以自我修复的新材料
西班牙科学家发明了一种新型聚合物，它有点像T-1000（终结者2中出现的机械杀手），被破坏后无需借助外力便可自我还原，是以被称为“聚合物终结者”。
早前便有科学家运用纳米粒子自组装技术，制造出自愈性微型芯片。
但上述新型聚合物完全是另一回事。
我们日常所用的东西，诸如电子产品、汽车和房子等，它们构造中的塑料部分若用此聚合物替代，那么产品的安全性和使用寿命将会得到巨大提升，这是一项全新的突破。
该材料本质上有点像维可牢粘扣，两小时内可完成97%的自我愈合。
若从中间将其砍断，待断口黏合到一起后，那么，即便双手使劲往外拉都没办法再把它拉断。
为了制造出这种新材料，研究员们从普通的高分子聚合原料中提取出具有自愈能力的热固性弹性体。
其自愈原理是某芳香族二硫化物的一种复分解反应（室温条件下可发生）。
欲深入探究者可参考《材料视野/ Materials Horizons》中“室温和无催化剂条件下，基于芳香族二硫化物复分解反应的自愈性人造橡胶”一文。
高分子材料自修复性能研究
高分子材料自修复性能研究随着现代工业技术的不断发展，高分子材料作为一种极具应用前景的新材料，已经被广泛应用于航空、航天、汽车、电子等诸多领域。
但是，高分子材料在使用过程中，不可避免地会受到外部环境的影响，比如物理冲击、热变形、化学腐蚀等。
这些因素会导致高分子材料出现损伤，从而影响其使用寿命和性能。
为了解决这个问题，科研人员开始研究高分子材料的自修复性能。
本文将介绍高分子材料自修复性能的研究进展和应用前景。
一、高分子材料自修复性能的研究进展高分子材料的自修复性能指的是在外力引起的损伤后，高分子材料可以在一定条件下自主进行修复。
目前，高分子材料自修复性能的研究主要分为三个方面：自愈合、自缩合、自生长。
1. 自愈合自愈合是指高分子材料在受到损伤后，利用内部原有的物质或额外加入的物质，自行进行愈合，在一定程度上恢复原本的结构和性能。
这种修复方式主要应用于聚合物材料，包括共聚物、交联聚合物、高分子混合物等。
目前，许多研究人员致力于研究自愈合材料的合成和机理。
其中，一种常用的方法是利用高分子之间的相互作用力，例如氢键、离子键、范德华力等，将自愈合物质引入到高分子材料中。
这些物质可以在高分子材料中形成局部的物理挤压效应，从而在受损位置产生愈合效应。
2. 自缩合自缩合是指高分子材料在受到损伤后，在一定条件下，仅进行缩合修复。
这种修复方式主要应用于自缩合材料中，比如含有自缩合基团的聚合物、交联聚合物、溶胶凝胶等。
自缩合材料的修复机制主要是利用自缩合基团的特殊性质进行修复。
这些基团可以通过自身的缩合作用，形成一种类似黏合剂的物质，在高分子材料中形成局部的修复效应。
3. 自生长自生长指的是高分子材料在受到损伤后，利用外界的物质和自身内部的物质，进行自我生长修复。
这种修复方式主要应用于含有自生长基团的聚合物材料中。
自生长材料的修复机制主要是利用自生长基团的特殊性质进行修复。
这些基团可以通过在一定条件下的反应，生成一种与原材料相似的物质来填补损伤处。
自修复高分子材料
自修复高分子材料王怡颖【摘要】高分子自修复材料自发明至今一直是智能材料领域的研究热点,相对于其他无机杂化等材料,其具有无可比拟的优势,且符合可持续发展的战略需求.本文主要介绍了高分子自修复材料的性能,其中从作用机理出发,着重阐述了本体型自修复材料的相关内容,并对自修复材料的发展和应用进行了展望.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】3页(P53-55)【关键词】自修复高分子材料;机理;动态可逆【作者】王怡颖【作者单位】龙口第一中学山东 264000【正文语种】中文【中图分类】T前言自修复性能又名自愈合性能，是指材料在没有任何外界因素的作用情况下，自身能够对缺陷进行自我辨识、管控并复原的能力。
自修复机理来源于仿生学中，生物体具有的自动感知、自动响应和自愈合损伤的特性。
在高分子材料的使用过程中，材料内部不可避免地会产生微裂纹，而这些微裂纹是宏观裂缝出现的根本原因，它会破坏高分子材料的整体性且不易探测，从而影响材料的性能和寿命。
因此，具有自诊断、自修复功能的智能自修复材料应运而生，并迅速成为新材料领域的研究重点之一。
与传统高分子材料相比，自修复高分子材料的优越性主要体现在以下几个方面：（1）方位相对固定，由裂纹引起进一步反应，在破裂处进行修复，针对性相对较强。
（2）具有自主运行性，不需要人为采用感官和设备对其进行观察，监测过程中人力资源耗损量有所降低。
（3）能够排除材料内部破损隐患，在高精端设备中保持优良性能和提高安全性。
（4）可以延长材料的使用年限，降低材料运营期间的维修与养护成本，满足环境友好型社会建设需求。
目前，自修复高分子材料可以基本分为两大类：外援植入型和本征型。
1.外援植入型自修复高分子材料外援植入型自修复高分子材料的作用机理主要是由于在材料的加工制造过程中，人们会在材料内部填充或复合进修复剂。
当材料受到损伤时，修复剂便被激发或释放。
目前比较成功的有两种：微胶囊型和纤维血管型。
自修复聚氨酯弹性体材料研究方面取得新进展
图５㊀配方中加入Ａ⁃３３后泡沫的温度变化率及上升速率表示时间变化），也说明后期几乎不发生三聚反应㊂这是因为Ａ⁃３３是强凝胶催化剂，催化ＮＣＯ基与ＯＨ基反应形成聚氨酯网状结构，导致ＮＣＯ基团间接触机会少，很难发生三聚反应，导致泡沫发软㊁强度低㊂３㊀结论（１）聚氨酯泡沫反应中不同阶段的速率㊁温度变化㊁高度变化可以体现在Ｆｏａｍａｔ发泡曲线中㊂（２）ＰＩＲ改性聚氨酯硬泡的发泡试验中上升速率曲线可出现两个峰，针对两个峰的大小及距离可以对配方进行优化设计㊂（３）利用Ｆｏａｍａｔ泡沫起升测试仪可以显示不同沸点的发泡剂在发泡曲线中差异，还可以判定催化剂对聚氨酯发泡的催化选择性㊂参㊀考㊀文㊀献［１］㊀吕晓奇，于大海，朱彦等．浅析聚氨酯泡沫起升试验与反应过程［Ｊ］．聚氨酯工业，２０１５，３０（１）：４４－４６．［２］㊀刘访艺，王浩臻，蒋小龙，等．ＨＦＣ⁃２４５ｆａ对聚氨酯硬泡板材性能影响的研究［Ｊ］．聚氨酯工业，２０１７，３２（４）：２７－３０．［３］㊀朱吕民，刘益军．聚氨酯泡沫塑料［Ｍ］．３版．北京：化学工业出版社，２００５．［４］㊀刘益军．聚氨酯原料及助剂手册［Ｍ］．２版．北京：化学工业出版社，２００５．［５］㊀江永飞．聚氨酯硬泡中替代ＣＦＣ－１１的发泡剂［Ｊ］．黎明化工，１９９５（４）：１２－１４．收稿日期㊀２０１８－０５－２７㊀㊀修回日期㊀２０１８－０８－０９ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｏａｍａｔＦｏａｍＲｉｓｉｎｇＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＰｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅＦｏａｍｉｎｇＤＯＵＺｈｏｎｇｓｈａｎ，ＷＡＮＧＬｅｉ，ＬＩＵＹｏｎｇｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧＹａｏｘｉ，ＬＩＸｉａｏｊｉｎｇ（ＷａｎｈｕａＥｎｅｒｇｙｓａｖＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ，Ｙａｎｇｔａｉ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｅｒｉａｌｏｆｓｔｕｄｙｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｂａｓｅｄｏｎａｐｏｌｙｉｓｏｃｙａｎｕｒａｔｅｍｏｄｉｆｉｅｄｒｉｇｉｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍｆｕｎｄａ⁃ｍｅｎｔａｌｆｏｒｍｕｌａ．ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｏａｍａｔｆｏａｍｒｉｓｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｏｎｔｈｅｆｏａｍｉｎｇｃｕｒｖｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏａｍｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌｏｗｉｎｇａｇｅｎｔ，ｃａｔａｌｙｓｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｌａｉｎｉｎｇｏｆｆｏａｍｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎａｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｏａｍａｔｆｏａｍｒｉｓｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｒｉｇｉｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍ；ｐｏｌｙｉｓｏｃｙａｎｕｒａｔｅｆｏａｍ作者简介㊀窦忠山㊀男，１９８７年出生，本科学历，研究方向为聚氨酯硬泡㊂自修复聚氨酯弹性体材料研究方面取得新进展自修复聚合物材料作为一种智能材料，可以修复在使用过程中因外力作用而产生的裂纹或局部损伤，从而恢复其原有的功能，延长其使用寿命㊂该材料在表面镀层保护㊁生物医药材料㊁锂电池以及航空航天等领域具有潜在的应用前景㊂为了满足不同的应用，研究人员将 牺牲键 引入到聚合物材料中，开发了自修复塑料㊁凝胶或弹性体㊂对于自修复弹性体材料来说，兼顾良好的机械性能㊁高效的自修复效率及优异的光学性能是一个挑战性难题㊂在国家自然科学基金委的支持下，中国科学院化学研究所工程塑料重点实验室研究员董侠等致力于智能材料的开发与应用，取得了系列进展㊂在此基础上，从分子设计角度出发，提出了一种新型自修复设计策略 ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＤｙｎａｍｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＢｏｎｄｓ（相锁定动态化学键） ，成功制备出无色透明㊁可快速自修复的高韧高强聚合物㊂研究工作通过 硬段锁定 和 微相分离控制 相结合的策略展开，设计的含二硫键自愈聚氨酯弹性体（ＰＵＤＳ）呈现出无色透明的优异光学性质，最大拉伸强度可达２５ＭＰａ，断裂伸长率超过１６００％，在温和加热条件下（７０ħ），弹性体表面划痕可在６０ｓ内迅速恢复，同时表现出良好的重复刮擦自修复功能，经多次刮擦自修复后材料的雾度值仅为０ ６％㊂这种无色高透明的自修复特征，使得该材料在光学领域具有重要的应用前景㊂相关成果发表于‘先进材料“㊂㊃６３㊃聚氨酯工业㊀㊀㊀㊀㊀第３３卷。
自修复高分子
IR spectrum of cross-linked polymer 4a.
为观察涂料表面形貌变化，对紫外线照射前后的 试样进行TEM实验，发现照射前后表面形貌基本 一致。
The appearance of super hydrophobic coatings on different substrates after UV-irradiation: (a) paper, (b) glass, (c) tin, (d) polypropylene, (e) wood, (f) aluminum
高效液相色谱（HPLC）证实了前面所讲的二硫 键断裂重组。
Model reshuffling reactions in a dark place between 1 and 2 in acetonitrile (0.02 M) at room temperature
在黑暗环境下，二硫键的断裂重组需要更多 时间。这说明光引发了这个反应。
李思超 韩 朋 许华平 ，化 学 进 展，第 24卷 第7期 2012年 7月
分类
一类是在材料内部复合功能型物质来实现 自修复; 另一类是通过向体系提供能量， 使材料本身发生共价或非共价作用实现自 修复
Schematic illustration of the preparation of all-water-based self-repairing super hydrophobic coatings based on U-capsules.
对超疏水涂料720h后的电子扫描显示与之前相比 表面形貌基本一致。
b) WCAs of the coating versus the accelerated weathering time. Inset: the water droplets on the super hydrophobic coating after prolonged weathering for 720 h. c) WCAs of the coating panel versus outdoor exposure time. Inset: the water droplets on the coating panel after outdoor exposed for more than 720 h. Coating: T1.2-capsules/polysiloxane/FMS.
复合材料的自修复技术研究
复合材料的自修复技术研究在现代科技的飞速发展中，复合材料凭借其优异的性能在众多领域得到了广泛应用，从航空航天到汽车制造，从电子设备到生物医学，复合材料的身影无处不在。
然而，如同人类会受伤生病一样，复合材料在使用过程中也会不可避免地遭受损伤，从而影响其性能和使用寿命。
为了解决这一问题，科学家们致力于研究复合材料的自修复技术，试图赋予这些材料自我修复的能力，就像生物体的自愈机制一样。
复合材料在实际应用中面临着各种各样的损伤形式，包括微裂纹、界面脱粘、纤维断裂等。
这些损伤可能是由于机械应力、环境侵蚀、疲劳等因素引起的。
一旦损伤发生，如果不能及时修复，它们往往会逐渐扩展，最终导致材料性能的显著下降甚至失效。
传统的修复方法通常需要人工干预，不仅费时费力，而且修复效果也不尽如人意。
因此，自修复技术的出现为解决这一难题带来了新的希望。
自修复技术的基本原理是在复合材料中引入具有修复功能的物质或机制，当材料受到损伤时，这些物质或机制能够自动响应并进行修复。
目前，研究人员已经提出了多种自修复技术的实现途径，其中比较常见的有微胶囊技术、中空纤维技术和本征型自修复技术。
微胶囊技术是将修复剂包裹在微小的胶囊中，并将这些胶囊均匀分散在复合材料基体中。
当材料产生裂纹时，裂纹尖端的应力会导致微胶囊破裂，释放出其中的修复剂。
修复剂在毛细作用或化学反应的驱动下填充裂纹，从而实现修复。
这种技术的关键在于微胶囊的制备和性能优化，包括胶囊的尺寸、壁厚、囊壁材料的选择以及修复剂的种类和性能等。
中空纤维技术则是在复合材料中嵌入中空的纤维，纤维中填充有修复剂。
当材料出现损伤时，修复剂从破裂的中空纤维中流出并填充裂纹。
与微胶囊技术相比，中空纤维技术可以容纳更多的修复剂，并且修复剂的释放更加可控，但中空纤维的制备和在复合材料中的均匀分布相对较难。
本征型自修复技术是利用材料本身的化学结构或物理性质实现自修复。
例如，一些聚合物材料具有动态共价键或超分子相互作用，当材料受到损伤时，这些化学键或相互作用能够重新形成，从而实现自修复。
自修复聚合物材料的研究进展
第23卷第12期2011年12月化 学 进 展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.23No.12 Dec.2011 收稿:2011年4月,收修改稿:2011年6月 ∗Corresponding author e⁃mail:yuanxy@自修复聚合物材料的研究进展祁恒治 赵蕴慧 朱孔营 袁晓燕∗(天津大学材料科学与工程学院天津市材料复合与功能化重点实验室 天津300072)摘 要 针对聚合物材料在使用过程中难以检测的损伤,人们引入了自修复概念。
本文就近年来自修复聚合物材料的研究进展作了系统综述。
根据自修复过程是否使用修复剂,聚合物材料(包括聚合物基复合材料)的自修复可分为外援型和本征型两大类。
外援型自修复借助于外加修复剂实现自修复,主要包括埋植微胶囊化修复剂和埋植中空纤维化修复剂两种方法。
微裂纹的破坏使微胶囊或中空纤维释放修复剂,修复剂发生化学反应,键合裂纹面,达到自修复的效果。
这种方法相对比较简单,修复效果较好,但不能重复进行,而且可选用的修复剂种类有限。
本征型自修复则借助于体系内存在的Diels⁃Alder 反应、动态共价化学、双硫键反应、含有氢键的超分子结构、π⁃π堆叠及离子聚合物等来完成,这些特殊的分子结构所涉及的化学反应是可逆的。
本征型自修复聚合物材料的制备过程较为复杂,但这种自修复可以反复多次有效,从而延长了聚合物材料的使用寿命。
本文针对以上两大类自修复聚合物材料体系的特点和应用进行综述,并展望其发展方向。
关键词 自修复 聚合物材料 微胶囊 氢键 可逆反应中图分类号:O631;TB324 文献标识码:A 文章编号:1005⁃281X(2011)12⁃2560⁃08Research Progresses in Self⁃Healing Polymer MaterialsQi Hengzhi Zhao Yunhui Zhu Kongying Yuan Xiaoyan ∗(School of Materials Science and Engineering,Tianjin Key Laboratory of Composite andFunctional Materials,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract Self⁃healing was put forward to cope with slight damages in polymer materials which are difficult todetect.Research progress in self⁃healing polymer materials in recent years is summarized in this paper.Accordingto the healing agents employing or not,self⁃healing methods in polymer materials or polymer composites can beclassified into two categories,namely,extrinsic and intrinsic.The extrinsic self⁃healing polymer materials accomplish self⁃healing with the aid of self⁃healing agents incorporated in microcapsules or hollow⁃fibers.The self⁃healing agents are released when microcapsules or hollow⁃fibers are attacked by microcracks,and then reactions involved self⁃healing take place and the crack surfaces are bonded together to achieve self⁃healing.This methodperforms easily and efficiently,but the self⁃healing process can not be repeated and the candidates of self⁃healingagents are limited.On the other hand,the intrinsic self⁃healing polymers bring into effect with the help of Diels⁃Alder reactions,dynamic covalent chemistry,disulfide⁃bond reactions,supramolecular structure with hydrogen⁃bond,π⁃πstacking,ionomes and so on.Furthermore,the chemical reactions related to these special molecular structures are reversible.Though the preparation of intrinsic self⁃healing polymers is more complicated,the self⁃healing process is efficient in repeatable manner.So,the durability of polymer materials can be extended.Thispaper reviews mainly on the specialities and applications of the above self⁃healing methods in polymer materials.Key words self⁃healing;polymer materials;microcapsule;hydrogen⁃bond;reversible reactions第12期祁恒治等 自修复聚合物材料的研究进展·2561 ·Contents1 Introduction2 Extrinsic self⁃healing2.1 Microcapsules2.2 Hollow⁃fibers3 Intrinsic self⁃healing3.1 Diels⁃Alder reactions3.2 Dynamic covalent chemistry3.3 Disulfide⁃bond self⁃healing3.4 Hydrogen⁃bond self⁃healing3.5 π⁃πstacking3.6 Ionomers3.7 Other methods4 Conclusion and outlook1 引言由于受热、机械和化学等因素的影响,高分子材料在应用过程中内部会产生微裂纹,从而影响其使用寿命和力学性能[1]。