保护活化剂的蜡颗粒以及多功能自愈合的复合材料制造技术

一种复合材料，包括（ｉ）聚合物，（ｉｉ）聚合剂，（ｉｉｉ）用于该聚合剂的受保护的相应活化剂，和（ｉｖ）多个胶囊。该聚合剂置于该胶囊中，以及使用用于该聚合物和该聚合剂的相应的胶囊密封材料保护该相应的活化剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】联邦政府资助的研究或发展本申请的主题部分地享受美国空军基金(AFOSR授予第F49620-03-1-0179号)。政府对本专利技术拥有一定权利。
技术介绍
在聚合物复合材料中形成的裂纹难于检测到，并几乎不可能修复。美国专利6,518,330以及出版物1-5中已经描述了能够自修复裂纹并明显提高材料寿命的成功方法。这种自愈合体系包括一种材料，这种材料含有例如Grubbs催化剂的固体颗粒和包埋于环氧化物基质中并含有液体二环戊二烯(DCPD)的胶囊(图1A)。当裂纹在材料中扩展时，使微胶囊破裂，将DCPD释放进裂纹面。然后DCPD与Grubbs催化剂混合，发生开环易位聚合(ROMP)，并固化，从而在出现裂纹之处提供结构连续性。这种体系在催化剂加载量相对较大(2.5wt％)时，具有较好的效果，但有多种因素使得较低的催化剂加载量时效果较差。首先，在使用较低催化剂加载量时，催化剂不能很好地在环氧化物中分散，从而在裂纹面上存在极少量(但相对较大的)催化剂颗粒。其次，环氧化物固化剂(二亚乙基三胺(DETA))破坏性地攻击Grubbs催化剂2。催化剂分布较好和没有接触DETA的体系允许更有效地使用催化剂。
技术实现思路
在第一个方面中，本专利技术是一种复合材料，包括(i)聚合物，(ii)聚合剂，(iii)用于该聚合剂的受保护的相应活化剂，以及(iv)多个胶囊。该聚合剂置于该胶囊中，以及使用用于该聚合物和该聚合剂的相应的胶囊密封材料保护该相应的活化剂。在第二个方面中，本专利技术是一种复合材料，包括(i)聚合物，(ii)聚合剂，(iii)用于该聚合剂的受保护的相应催化剂的微粒，以及(iv)多个胶囊。该聚合剂置于该胶囊中，使用用于该聚合物和该聚合剂的相应的胶囊密封材料保护该相应的催化剂，以及该胶囊密封材料包括蜡。在第三方面中，本专利技术是一种颗粒，包括(a)一种化合物，和(b)包围该化合物的蜡。该颗粒是微粒。定义聚合剂是一种当与用于聚合剂的相应活化剂接触时将形成聚合物的组合物。聚合剂的例子包括聚合物的单体，如苯乙烯、乙烯、(甲基)丙烯酸酯和二环戊二烯(DCPD)；多单体聚合物体系的单体，如二醇、二胺、和环氧化物；和还能进一步聚合的预聚物，如部分聚合的单体。活化剂是指当与聚合剂接触或混合时将形成聚合物的任何物质。活化剂的例子是催化剂、引发剂和天然活化部分。用于聚合剂的相应活化剂是当与特定聚合剂接触或混合时将形成聚合物的活化剂。催化剂是一种可使可聚合的组合物发生聚合的化合物或部分，在引起聚合时并不总是被消耗掉。这是与引发剂和天然活化部分相比而言。催化剂的例子包括开环聚合(ROMP)催化剂，如Grubbs催化剂。用于聚合剂的相应催化剂是一种当与特定聚合剂接触或混合时将形成聚合物的催化剂。引发剂是一种可使可聚合的组合物发生聚合的化合物，在引起聚合时总是被消耗掉。引发剂的例子是过氧化物(将形成自由基使不饱和的单体聚合)；多单体聚合物体系的单体，如二醇、二胺和环氧化物；和胺(将与环氧化物形成聚合物)。用于聚合剂的相应引发剂是一种当与特定聚合剂接触或混合时将形成聚合物的引发剂。天然活化部分是一种当与聚合剂混合或接触时将形成聚合物的聚合物部分，在引起聚合时总是被消耗掉。天然活化部分的例子包括胺部分(将与环氧化物形成聚合物)。可用水失活的活化剂、可用水失活的催化剂、可用水失活的引发剂和可用水失活的天然活化部分分别是一种类型的活化剂、催化剂、引发剂和天然活化部分，它们在接触潮汽或水后，从聚合剂形成聚合物的能力下降。相似地，可用水失活的相应的活化剂、可用水失活的相应的催化剂、可用水失活的相应的引发剂和可用水失活的相应的天然活化部分分别是一种类型的相应的活化剂、相应的催化剂、相应的引发剂和相应的天然活化部分，它们在接触潮汽或水后，从聚合剂形成聚合物的能力下降。可用水失活的活化剂的例子包括WCl6、MoCl5和Et2AlCl。化合物是一种含有至多100个重复单元的分子。这是与含有多于100个重复单元的聚合物相比而言。胶囊是长径比为1∶1～1∶10的中空封闭体，可以含有固体、液体、气体或其组合。封闭体的长径比是指最短轴与最长轴的比；这些轴不必是垂直的。胶囊可以具有落入此长径比的任何形状，如球形、环形、或不规则变形形状。胶囊的表面可以具有任何质地，例如粗糙或光滑。胶囊密封材料是一种将在聚合剂中溶解并防止活化剂与用于形成聚合物的材料反应的材料。用于聚合物和聚合剂的相应的胶囊密封材料将防止活化剂与用于形成特定聚合物的材料反应，并溶解在特定聚合剂中。石蜡是胶囊密封材料的例子。当化合物或聚合物被胶囊密封材料涂布时，将其称作“受保护的”。微粒是一种平均直径至多500微米的颗粒。附图说明图1A表明使用未受保护的Grubbs催化剂的自愈合材料。图1B表明含有包埋于胶囊密封材料微粒中的活化剂的自愈合材料。图2A是含有2.5wt％未受保护的Grubbs催化剂并切成～300μm厚的环氧化物样品截面的照片。图2A是含有5wt％蜡微粒并切成～300μm厚的环氧化物样品截面的照片，其中蜡微粒含有5wt％Grubbs催化剂。图3A和图3B分别表明在含有25wt％催化剂的1wt％微粒和含有5wt％催化剂的5wt％微粒时，愈合的裂纹生长的(A)低和(B)高非直线性情况下原始和愈合的负载-位移曲线。图4A和图4B表明愈合效率与(A)微粒中的催化剂量(环氧化物中加载5wt％微粒)和(B)在蜡中加载催化剂的方式的关系，并在(B)中平衡在环氧化物中加载的微粒以维持总催化剂浓度为0.25wt％；每一点是三次实验的平均值，误差线代表±1标准偏差。具体实施例方式Taber和合作者已经说明Grubbs催化剂可被加到石蜡中，来防止催化剂接触空气6。石蜡不溶于DETA，但溶于DCPD，因而预期蜡可用来防止Grubbs催化剂因DETA带来的有害作用，同时仍允许催化剂在DCPD接触时保持活性。然而，将受蜡保护的催化剂在环氧基质中分散成小颗粒的确定方法在文献中还没有公开。尽管专利文献中包括几种制造蜡球的技术，但仍没有制造含有试剂的小蜡颗粒的现有报道方法7，8。本专利技术利用如下的发现用胶囊密封材料保护活化剂允许使用原先不能使用的活化剂，因为在形成聚合物的同时受保护的活化剂将失活。此外，当活化剂受保护时，显然不太需要制造相似的自愈合材料。这些较低的加载水平可以改进在任何自愈合发生之前的聚合物的物理性能。本专利技术包括一种复合材料，如图1B所示，其含有在聚合物6中的胶囊4和受保护的活化剂2。该胶囊含有聚合剂。优选地，活化剂不是用于聚合剂的相应的天然活化部分，更优选地，活化剂是相应的引发剂，或最优选地，是用于聚合剂的相应的催化剂。使用用于聚合物和聚合剂的相应的胶囊密封材料保护活化剂，更优选地，胶囊密封材料是蜡。该复合材料与美国专利6,518,330(引入本文作为参考)的复合材料相同或相似，不同之处在于该活化剂是受保护的活化剂。此外，尽管优选程度较低，但可以使用天然活化部分作为活化剂。可以使用各种方法制造受保护的活化剂。例如，可以形成含有胶囊密封材料的液体，然后活化剂的粉末或小颗粒可以分散进液体中。然后固化胶囊密封材料。形成受保护的活化剂的颗粒，并优选是微粒。在形成聚合物的同时加入这些颗粒。按此方式，可以防止活化剂与用于形成聚合物的物质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料，包括：（ｉ）聚合物，（ｉｉ）聚合剂，（ｉｉｉ）用于所述聚合剂的受保护的相应活化剂，以及（ｉｖ）多个胶囊，所述聚合剂置于所述胶囊中，以及使用用于所述聚合物和所述聚合剂的相应的胶囊密 封材料保护所述相应的活化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里S穆尔，约瑟夫D鲁尔，斯科特R怀特，南茜R索托斯，埃里克N布朗，
申请(专利权)人：伊利诺斯大学理事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]