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自修复材料,回收环氧树脂!

发布时间:2021-10-16 10:49:29

自修复材料,回收环氧树脂!

自修复材料是一种具有结构自修复能力的智能材料,可以修复长期机械使用造成的损伤。这种材料的灵感来自一个可以在受伤后自我修复的生物系统。从宏观裂纹到微观损伤,所有这些都会改变材料的热、机械甚*声学特性。在*严重的情况下,可以丢弃整个材料。人们习惯于用手修复伤口,但很多伤口是肉眼看不见的。然而,世界上已经有一些自愈材料,如聚合物和陶瓷材料。经过一系列不同的过程,他们可以修复自己的损坏。这样的材料可以在变质之前使用很长时间,甚*可以减少材料废料的损失。对于可以称为自愈的材料,修复过程必须没有人为参与。

高分子材料的分解

大分子的分解 从分子的角度来看,常规大分子通过物理压力破坏单键。传统聚合物通常是均裂或异裂的,尽管新聚合物有其他降解方法。决定聚合物失效模式的因素是机械压力的类型、聚合物的化学成分、溶解度以及溶剂的类型和温度。从大分子的角度来看,分子水平的破坏会导致更大程度的微裂纹。微裂纹的发生是由相邻聚合物链断裂引起的,其*终结果是聚合物整体性能的下降。

均裂

观察表明,聚合物在自由基溶剂(如DPPH和PMNB)的作用下均质化。当键均质化时,会产生两个自由基。它们可以重组以修复损伤或引起其他同质化。

异裂

通过同位素标记实验也可以观察到自由基的异常分裂。如果键裂不同,则同时产生阳离子自由基和阴离子自由基。它们可以重组或被溶剂种植或与周围的聚合物发生反应。

可逆的断键

某些大分子在机械外力作用下会引起异常行为。基于 Diels-Alder 结构的聚合物会发生可逆的闭环反应。当外力破坏两个单键时,也会同时产生一个新的 π 键。

超分子分解

超分子是一系列由非共价键结合的单体。常见的键合方法包括氢键、金属键和范德华力。外部机械力导致超分子间作用力减弱,从而导致单体分子分离和大分子分解。 

可逆自愈材料

自修复系统是一种聚合物*系统,可以将分子恢复到原始状态。无论是均聚物、低聚物,还是非交联的网络结构。由于这种聚合物在室温下是稳定的,因此需要外部驱动才能使回收系统工作。对于自修复材料,如果材料受到热损伤,想要恢复其原始成分,可以在分子产生的条件下恢复为聚合物形态。

共价键系统

Diels-Alder反应和反Diels-Alder反应

在所有自修复材料中,Diels-Alder 反应及其逆反应以其*异的热力学恢复性能*能解释这个问题。一般情况下,通过狄尔斯-阿尔德反应加入含官能团单体(如呋喃或马来酰亚胺等相邻双键结构)形成聚合物。这种聚合物在加热时分解成单体形式。然而,在冷却或其他类似于先前合成的条件下,反狄尔斯-阿尔德反应将聚合物恢复到其原始形式。在过去的几十年里,人们仔细研究了两种典型的自修复聚合物。

(1) 一种是呋喃、马来酰亚胺等能通过狄尔斯-阿尔德反应形成交联聚合物的物质。

(2) 通过狄尔斯-阿尔德反应形成聚合物的其他多功能单体。

交联聚合物

在这种类型的聚合物中,分子通过侧基交联形成聚合物。例如,Saegusa 等人。展示的交联聚合物,包括乙酰乙烯基亚胺、马来酰亚胺或呋喃羰基官能团。该反应如图 3 所示。他们通过狄尔斯-阿尔德反应将两种互补聚合物混合,得到一种在室温下具有更高交联度的材料。此外,这种材料比原始材料具有更高的热稳定性。然而,在80度和合适的溶剂下,这种聚合物通过狄尔斯-阿尔德反应分解为两种原料。这意味着聚合物已经变质。这在理论上也是可行的。这是因为加热产生的热量足以让反应通过能垒,从而产生两种单体。将这两种单体或分解产物冷却并在室温下储存 7 天,然后再返回原始聚合物。

这种自我修复的 DA/RDA 反应不仅限于可溶于呋喃马来酰亚胺的聚合物。他们还证明,这种可逆的交联聚合物反应也可以发生在蒽-马来酰亚胺体系中。但是,这种反应的逆反应只有加热到250度左右才会发生。

多功能单体聚合

在这类聚合物中,DA反应发生在分子链的主链而不是分子链的侧基。对于 3M4F,一种通过呋喃马来酰亚胺与 DA 反应逐渐聚合的聚合物,其自愈能力只能通过加热和冷却循环来证明。这种聚合物通过DA反应加工合成,加热到120度后通过RDA反应分解。持续加热到 90-120 度,然后冷却到室温可以修复这种聚合物,尤其是那些由机械外力引起的聚合物。

硫醇聚合物

硫醇聚合物具有二硫键,可以被氧结合或裂解。在分解的情况下,二硫键断裂,聚合物分解成单体。然而,在氧化条件下,硫醇盐的各个单体可以形成二硫键并交联形成聚合物。 Chujo 等人证明了这些硫醇化可逆交联的存在。

聚合物自愈

高分子材料的自愈过程与生物过程类似,分为三个步骤。受伤后,它首先产生刺激或信号。这几乎和受伤一样。第二步是将材料快速转移到受伤部位。第三步是化学修复过程。这种机制取决于材料的性质。(聚合、缠结、可逆交联)这些自修复方法可分为三大类:胶囊修复、管状修复和内部修复(即反向自修复)。这三种方法表面上非常相似,但其机制实际上只有在发生损坏时才起作用。胶囊聚合物将修复分子隐藏在胶囊中,这些分子仅在发生损坏时才会释放。管状修复聚合物将修复分子隐藏在由网状连接的小管中。当管被破坏时,其他分子填充这个网络并形成新的网络结构。如上所述,内部修复材料没有单独的修复结构,但它具有潜在的修复功能,只有在发生损坏时才能激活。

因此,这里描述的所有例子都需要外部刺激来刺激聚合物修复功能。(光、热等)。能量被输入到该系统以修复聚合物。并非所有材料都会出现这种情况。热固性聚合物不能重新成型。当它们聚合时,它们很容易在熔点之前分解。因此,通过增加热量来促进聚合物再聚合是不可行的。因此,延长这种材料的使用寿命更为重要,因为它不可回收。

空心管法

**种方法是将填充材料嵌入脆性中空管或橡胶中。(这种方法在现实生活中被广泛用于增强材料)例如,在橡胶增强材料中,网孔中的孔是用单体填充的。如果它破裂,管道也会破裂。里面的单体流出,填满裂缝。一些管道中填充了更强的单体,裂缝与单体混合以修复裂缝。在讨论空心管和晶体结构之间的关系时,需要考虑许多因素。首先,管道的生产由于材料中聚合物的位移而破坏了原始材料的承载能力。其次,管道的直径、伸长的程度、节点的位置和朝向,这些因素在制造材料中首先要考虑。材料本身可能承受不了太多的机械应力,所以需要有自愈能力。通过这种方式,可以产生更多的微管结构,以提高承载能力。空心管有两种常见类型:单管和内联管网。

独立流水线

独立的管道可以单独制造,然后放置在材料中。在制作这些小管子的过程中,**需要考虑的因素是管子越近越脆弱,但回弹力越强。当您将管道放入材料中时,材料具有三明治状结构。非常坚固的夹层结构使其成为理想的压缩材料。这种材料的强度不亚于管网结构,表现出良好的恢复性能。

内联网

内部网络结构是更强大、更独立的管道,但制造难度更大、成本更高。*基本的方法是用物理方法在材料表面画一根小管子。这些管道的直径约为 600-700 微米。在2D平面中,这种方法非常有效,但基本上不可能用这种方法创建3D管网。

修复微胶囊

这种方法类似于空心管方法。单体被封装并嵌入热固性塑料中。当裂缝遇到胶囊时,胶囊破裂,单体流出修复裂缝。专业回收环氧树脂!


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