自修復(fù)高分子材料的發(fā)展方向及優(yōu)勢(shì)論文
摘要：因?yàn)楦叻肿硬牧显谏a(chǎn)與應(yīng)用環(huán)節(jié)中, 常常會(huì)因?yàn)閮?nèi)部微小裂紋與部分位置損傷, 致使應(yīng)用價(jià)值降低, 減縮使用年限。自修復(fù)高分子材料仿照生物損傷愈合原理, 自行的發(fā)現(xiàn)裂紋并借助某一原理愈合, 目前其在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中優(yōu)廣泛的應(yīng)用。文本在解析自修復(fù)概念與優(yōu)越性的基礎(chǔ)上, 從外源型及本征型自修復(fù)高分子材料兩方面對(duì)其近幾年研究進(jìn)展進(jìn)行歸納, 并對(duì)其發(fā)展趨向進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。
關(guān)鍵詞：自修復(fù); 高分子材料; 外源型; 本征型; 發(fā)展趨向;
新時(shí)期下, 高分子材料憑借質(zhì)量輕、耐磨性優(yōu)良以及便于加工等特點(diǎn), 在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中有所應(yīng)用, 但是高分子材料成體在制造的過程中, 材料內(nèi)部出現(xiàn)一些微裂紋是不可規(guī)避的現(xiàn)象。從某一程度上分析, 這些微裂紋是裂縫出現(xiàn)的誘發(fā)因素, 使高分子材料的完整性受到損傷, 因?yàn)榱鸭y多數(shù)存在于材料內(nèi)部深度, 故此探察難度相對(duì)較大。在高分子材料加工過程中探究仿生自修復(fù), 演變成高分子領(lǐng)域中研究的焦點(diǎn), 文本進(jìn)行詳細(xì)解析。
1 自修復(fù)概念與優(yōu)勢(shì)
自修復(fù)又被叫做自愈合, 為生物的主要屬性之一。人類將在沒有外界因素作用下, 材料自體對(duì)缺點(diǎn)自我辨識(shí)、管控與復(fù)原的能力被叫做自修復(fù)[1]。在外界機(jī)械力的作用下, 材料結(jié)構(gòu)與性能的完整性會(huì)受到不同程度的損傷, 此時(shí)自修復(fù)分子材料可以借助某一原理去彌補(bǔ)裂痕存在的缺陷, 無需外力的輔助實(shí)現(xiàn)愈合的目標(biāo)。
自修復(fù)高分子材料的優(yōu)越性在以下幾方面體現(xiàn)出來: (1) 方位相對(duì)固定, 由裂紋引起聚合, 目的性相對(duì)較強(qiáng), 效率高; (2) 自行性, 不需要個(gè)人采用感官對(duì)其進(jìn)行觀察, 監(jiān)測(cè)過程中人力資源耗損量有所降低; (3) 延長(zhǎng)材料的'使用年限; (4) 降低材料運(yùn)營(yíng)期間的維修與養(yǎng)護(hù)成本; (5) 在材料智能化發(fā)展方面發(fā)揮一定導(dǎo)向作用; (6) 滿足環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)需求, 規(guī)避了外加添加劑對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響。
2 自修復(fù)高分子材料
參照是否在修復(fù)過程外加修復(fù)劑, 通常會(huì)把自修復(fù)材料細(xì)化為外援型與本征型兩種類型。和過去幾年相比較, 現(xiàn)階段高分子自修復(fù)材料的研究從化學(xué)反應(yīng)原理轉(zhuǎn)型為應(yīng)用范疇分析方面上, 關(guān)注的更多是修復(fù)結(jié)果與材料自體修復(fù)后功能的一致性, 同時(shí)也積極探究完善自修復(fù)條件的最適條件, 例如在室溫下進(jìn)行的自修復(fù)。
2.1 外援型自修復(fù)高分子材料
外援型大體上有微膠囊型和微脈管網(wǎng)絡(luò)型兩類型, 其實(shí)在20世紀(jì)90年代末期微膠囊型自修復(fù)材料就已經(jīng)受到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。例如White課題組初次把雙環(huán)戊二烯設(shè)置為修復(fù)劑包埋設(shè)于微膠囊內(nèi), 同時(shí)把處理好的微囊化修復(fù)劑和Urubb、催化劑一并排布在氧樹脂基體內(nèi)[2]。在外力作用于基體以及其發(fā)生損傷以后, 微膠囊結(jié)構(gòu)被破壞的同時(shí)也會(huì)將一定量的修復(fù)劑釋放出來。修復(fù)劑預(yù)毛細(xì)裂紋表層處于流動(dòng)狀態(tài)中, 觸及催化劑以后就會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng), 在裂紋位置產(chǎn)生新的聚合物, 借此方式實(shí)現(xiàn)修復(fù)裂縫的目標(biāo)。與外援型自修復(fù)材料相關(guān)的研究大體上是集中在化學(xué)愈合機(jī)制、微膠囊/微脈管網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與制備技術(shù)等方面上。在外援型自修復(fù)材料規(guī)劃與制造的環(huán)境中, 應(yīng)重點(diǎn)分析承載修復(fù)劑的微膠囊和微脈管對(duì)基材的使用功能是否產(chǎn)生影響, 同時(shí)在基材結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損的情況下是否能夠迅速應(yīng)答并使修復(fù)劑外流[3]。外援型自修復(fù)材料在涂料、增韌增強(qiáng)復(fù)合材料、泡沫材料、陶瓷及金屬制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用, 并且其具備一定的發(fā)展?jié)摿? 但是受修復(fù)劑供應(yīng)量的限制, 數(shù)次修復(fù)的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn), 與修復(fù)劑微裂紋應(yīng)答相關(guān)的有效性與安穩(wěn)性還需進(jìn)行深度研究。此外, 外援型自修復(fù)修復(fù)劑和基材通常列屬于不同體系的材料, 關(guān)于修復(fù)劑和基材兩者融合性與復(fù)原后功能維持的長(zhǎng)久性研究還缺乏深入性。
2.2 本征型自修復(fù)高分子材料
因?yàn)樾迯?fù)劑補(bǔ)給量受到限制, 多數(shù)外援型自修復(fù)材料無法實(shí)現(xiàn)數(shù)次自行修復(fù)的目標(biāo)。本征型自修復(fù)材料應(yīng)用材料自體的化學(xué)結(jié)構(gòu)屬性, 借助可逆共價(jià)鍵與非共價(jià)鍵的化學(xué)反應(yīng)自行修復(fù)[4]。通常來講, 具備動(dòng)態(tài)特點(diǎn)且反應(yīng)進(jìn)程迅速的化學(xué)反應(yīng)均可以被設(shè)置為本征型自修復(fù)的潛在資源庫(kù)。本文對(duì)分子間相互作用力型自修復(fù)高分子材料進(jìn)行介紹。
分子間相互作用力型自修復(fù)高分子材料和微膠囊型以及液芯纖維型自修復(fù)高分子材料在性能上存在顯著差異性, 其內(nèi)沒有外加的修復(fù)劑, 僅憑借材料本體分子鏈間的相互作用力就可以對(duì)材料進(jìn)行修整與復(fù)原。在材料結(jié)構(gòu)受到損傷的情況下, 因?yàn)榱鸭y周邊分子鏈的位置會(huì)發(fā)生一定偏移, 故此分子鏈內(nèi)的活性官能
團(tuán)會(huì)產(chǎn)生一定反應(yīng), 借此方式實(shí)現(xiàn)對(duì)材料自行修復(fù)的目標(biāo)。氫鍵作用可以被視為一類較強(qiáng)的超分子作用, 若在機(jī)械力的作用下材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞, 那么在氫鍵的協(xié)助下, 材料在溫室環(huán)境中就可以達(dá)成自修復(fù)的目標(biāo), 材料自體裂痕在2天后大體就會(huì)不見, 在材料力學(xué)性能的協(xié)助下可快速恢復(fù)至材料的初始水平。在氫鍵作用下產(chǎn)生的自修復(fù)的過程是可以往復(fù)的[5]。從另一個(gè)角度分析, 即便是材料的同一位置受到數(shù)次損傷, 依然可以借助氫鍵作用去實(shí)現(xiàn)自行修復(fù)的目標(biāo), 并且每次修復(fù)的質(zhì)量均能夠維持在較高的水平上。這類具備自修復(fù)特性的高分子材料一方面具有一定的機(jī)械強(qiáng)度, 另一方面還可以使材料的使用年限大大延長(zhǎng), 經(jīng)常被用在建筑物的墻體施工環(huán)節(jié)中, 簡(jiǎn)化了建筑墻體材料使用過程中的維修流程, 降低建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí), 提升了其安全性能。
3 自修復(fù)高分子材料的未來發(fā)展方向
自修復(fù)高分子材料可以被視為近幾年衍生出來的一類新興領(lǐng)域, 因?yàn)樽泽w性能的優(yōu)越性使其具備較為廣闊的發(fā)展空間, 這也是高分子科學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r被廣泛關(guān)注的原因之一。現(xiàn)階段研究路線朝著含修復(fù)試劑與無修復(fù)試劑兩個(gè)方向運(yùn)行, 推進(jìn)了微膠囊、微血管網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)、超分子作用等數(shù)個(gè)體系的研制進(jìn)程, 同時(shí)借助對(duì)對(duì)體系組分不斷完善的方式, 大幅度提升了修復(fù)率與修復(fù)次數(shù)[6]。但是該類材料在修復(fù)過程中還存在修復(fù)周期相對(duì)較長(zhǎng)、成本相對(duì)較高的問題。自修復(fù)高分子材料在后續(xù)幾年的發(fā)展趨向可以做出如下概述: (1) 增強(qiáng)性能。促使同一體系中修復(fù)率與往復(fù)頻次提升, 并滿足友好型社會(huì)發(fā)展需求; (2) 存在修復(fù)試劑的體系。即全力探尋修復(fù)產(chǎn)物和基體同一的體系, 從而進(jìn)一步維護(hù)與提升修復(fù)效率; (3) 不含修復(fù)試劑的體系。積極開發(fā)多種超分子作用力, 推動(dòng)新興超分子聚合物體系的發(fā)展進(jìn)程。
4 結(jié)語
綜合全文論述的內(nèi)容, 對(duì)自修復(fù)高分子材料的應(yīng)用價(jià)值有更為全面的認(rèn)識(shí), 同時(shí)也了解到其性能處于不斷完善狀態(tài)中這一事實(shí)。自修復(fù)高分子材料在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用, 力學(xué)性能與保溫性能均是極為優(yōu)良的, 多數(shù)被用在建筑結(jié)構(gòu)中的墻體材料中, 自修復(fù)能力的具備使其使用壽命不斷延長(zhǎng), 并且自行修復(fù)程序相對(duì)簡(jiǎn)單, 成本相對(duì)較低。
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