微胶囊型自修复环氧树脂材料的力学性能及修复效率

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.008

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (5): 40-46.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.008

微胶囊型自修复环氧树脂材料的力学性能及修复效率

王涵¹(), 梁金华¹, 高振国², 姜炜¹(), 周昊¹()

^1.南京理工大学化学与化工学院，南京 210094
^2.93145部队，合肥 230088

收稿日期:2023-09-20 出版日期:2024-05-26 发布日期:2024-05-20
通讯作者: 姜炜（1974—），男，研究员，从事高性能微纳米功能复合材料制备及应用基础研究，superfine_jw@126.com
周昊（1990—），男，从事高效毁伤与防护技术的研究，hao.zhou@njust.edu.cn
E-mail:2839577586@qq.com;superfine_jw@126.com;hao.zhou@njust.edu.cn
作者简介:王涵（1999—），男，硕士研究生，从事高分子复合材料的制备及性能研究，2839577586@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(12102199)

Mechanical properties and repair efficiency of self⁃repairing microencapsulated epoxy resin

WANG Han¹(), LIANG Jinhua¹, GAO Zhenguo², JIANG Wei¹(), ZHOU Hao¹()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China
^2.Unit 93145，Hefei 230088，China

Received:2023-09-20 Online:2024-05-26 Published:2024-05-20
Contact: JIANG Wei, ZHOU Hao E-mail:2839577586@qq.com;superfine_jw@126.com;hao.zhou@njust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了探究自修复环氧树脂微胶囊的引入对树脂基复合材料的力学性能和修复性能的影响，将由原位聚合法制得的环氧树脂微胶囊和潜伏型固化剂邻苯二甲酸酐组成的修复体系加入到E51环氧树脂和固化剂改性聚醚胺中，通过实验研究了混合体系的剪切黏度，并进一步分析了材料的力学性能和修复效率。结果表明，复合材料的力学性能随着自修复组分含量的升高而降低，复合材料的修复效率随着自修复组分含量的升高与而升高，但修复后复合材料的抗拉强度并不是随着自修复组分含量的升高而递增的。综合分析实验结果得出的最优选择为自修复组分的比例为3/2，含量为8 %（质量分数，下同），此时复合材料的抗拉强度为15.32 MPa，断裂修复后抗拉强度10.13 MPa，修复效率66.12 %。

关键词: 自修复微胶囊, 环氧树脂基复合材料, 力学性能, 修复效率

Abstract:

To investigate the effect of the introduction of self⁃healing epoxy microcapsules on the mechanical properties and repairability of resin⁃based composite materials， a repair system consisting of in⁃situ polymerized epoxy microcapsules and phthalic anhydride as a latent curing agent was incorporated into the mixture of E51⁃type epoxy resin and modified polyetheramine curing agent， resulting in the formation of self⁃healing epoxy resin⁃based composite materials. The shear viscosity of the mixing system was analyzed， and the mechanical and repairing performance of the composite materials were investigated. The results indicated that the increase of the content of self⁃healing components resulted in a decrease in the mechanical properties of the composite materials but an increase in their healing efficiency. However， the tensile strength of the repaired composite materials did not show a linear increment. Through comprehensive analysis on the experimental results， the optimal choice was determined to be a self⁃healing component ratio of 3/2 and a microcapsule content of 8 wt% for the composite materials. Under these conditions， the resultant composite material exhibited tensile strength of 15.32 MPa and post⁃repair tensile strength of 10.13 MPa， presenting a healing efficiency of 66.12 %.

Key words: self?healing microcapsule, epoxy resin matrix composite, mechanical property, repair efficiency

中图分类号:

TQ323.5

王涵, 梁金华, 高振国, 姜炜, 周昊. 微胶囊型自修复环氧树脂材料的力学性能及修复效率[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 40-46.

WANG Han, LIANG Jinhua, GAO Zhenguo, JIANG Wei, ZHOU Hao. Mechanical properties and repair efficiency of self⁃repairing microencapsulated epoxy resin[J]. China Plastics, 2024, 38(5): 40-46.

图/表 14

图1 自修复环氧树脂复合材料拉伸试样

Fig.1 Self⁃healing epoxy resin composite tensile specimen

图2 拉伸试验机

Fig.2 Tensile testing machine

图3 MUF包覆E51环氧树脂微胶囊的SEM照片

Fig.3 SEM images of MUF⁃coated E51 epoxy microcapsules

图4 MUF包覆E51环氧树脂微胶囊的FTIR谱图

Fig.4 FTIR spectra of the MUF⁃coated E51 epoxy resin microcapsules

图5 不同自修复组分含量环氧树脂基复合材料的黏度变化曲线（自修复组分质量比2/1）

Fig.5 Viscosity variation curve of the epoxy resin⁃based composite materials with different self⁃repairing component contents when the mass ratio of self⁃repairing component was 2/1

图6 不同自修复组分含量环氧树脂基复合材料的黏度变化曲线（自修复组分质量比3/2）

Fig.6 Viscosity variation curve of the epoxy resin⁃based composite materials with different self⁃repairing component contents when the mass ratio of self⁃repairing component was 3/2

自修复组分配比	自修复组分含量/%
自修复组分配比	6	8	10
2/1	6.8	9.1	15.9
3/2	7.5	12.8	21.4

表1 样品的平均黏度 (Pa·s)

Tab.1 Average viscosity of the samples

试验编号	自修复组分含量/%	微胶囊与固化剂配比	抗拉强度/ MPa	弹性模量/ MPa
1^#	6	2/1	23.09	572.52
2^#	8	2/1	17.68	424.94
3^#	10	2/1	10.36	290.21
5^#	6	3/2	22.74	584.23
6^#	8	3/2	15.32	365.74
7^#	10	3/2	10.28	207.70
8^#	0	—	27.97	721.16

表2 复合材料的拉伸性能

Tab.2 Tensile properties of the composite materials

图7 不同自修复组分含量环氧树脂基复合材料的拉伸曲线（自修复组分质量比2/1）

Fig.7 Tensile curve of the epoxy resin⁃based composite materials with different self⁃repairing component contents when the mass ratio of self⁃repairing component was 2/1

图8 不同自修复组分含量环氧树脂基复合材料的拉伸曲线（自修复组分质量比3/2）

Fig.8 Tensile curve of the epoxy resin⁃based composite materials with different self⁃repairing component contents when the mass ratio of self⁃repairing component was 3/2

图9 样品的OM照片

Fig.9 OM images of the samples

图10 试样修复部位的SEM照片

Fig.10 SEM images of the sample repair parts

试验编号	自修复组分含量/%	微胶囊与固化剂配比	原始拉伸强度/MPa	修复后拉伸强度/MPa	修复效率/%
1^#	6	2/1	23.09	4.34	18.80
2^#	8	2/1	17.68	4.95	28.00
3^#	10	2/1	10.36	6.01	58.11
4^#	6	3/2	22.74	5.98	26.30
5^#	8	3/2	15.32	10.13	66.12
6^#	10	3/2	10.28	8.06	78.40

表3 复合材料的修复性能

Tab.3 Repair performance of the composite materials

图11 复合材料的修复效率

Fig.11 Repair efficiency of the composite materials

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微胶囊型自修复环氧树脂材料的力学性能及修复效率

Mechanical properties and repair efficiency of self⁃repairing microencapsulated epoxy resin

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