环氧树脂基自修复导电高分子材料制备开题报告

1. 研究目的与意义

自修复材料是一类拥有结构上自愈合能力的智能材料，这种能力能修复由于长期的机械使用所造成的损害。发明这种材料的灵感源于在受伤后能自我修复的生物系统。从肉眼可见的裂缝到显微镜才能观察到的损伤，这一切都会改变材料的热学、力学乃至声学性能。最严重的情况可能会使整个材料报废。尽管人们习惯于用双手修理损伤，但是很多的损伤是肉眼不可见的。然而，这世界上已经有一些材料具备了自修复功能，比如一些高分子和陶瓷材料。在经过一系列的不同的工艺过程后，它们能修复自身的损伤。这样的材料能够在降解之前使用更长的时间，甚至可以减少由于材料报废而造成的损失。对于一种能够被称为自修复的材料，它的修复过程必须是不需要人参与的。纳米粒子----也叫超微颗粒，粒径一般在1-100nm之间，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。随着对各种纳米粒子的不断深入研究，促进了纳米粒子在制药业、纺织业、物理、化学、农业等各领域的广泛应用。纳米银粒子是纳米粒子的一种。在各种金属纳米粒子中，纳米银粒子自从问世以来一直深受人们的关注，这不仅是由于其具有独特的电子特性，光学特性，机械特性和催化特性，并且具有良好的抗菌性、生物兼容性和表面易修饰等优点。因此，纳米银粒子是一种非常有用的纳米材料，可以用作照相制版、生物医用材料、化工的催化剂、陶瓷材料、导电浆料、污水处理、建筑材料、润滑剂、光吸收材料、涂料、传感器、高性能电极材料等。纳米银粒子的制备方法有很多，人们借鉴已有的制备方法，已制备出各种粒径和结构的纳米银粒子，如球形纳米银粒子、纳米银块体材料、树状纳米银、银纳米管、银纳米带、银纳米链、银纳米立方体、银纳米双凌锥、银纳米线、银纳米三棱柱、银纳米片、银纳米盘等结构，如下几种： 而不同的结构导致其性能以及应用也不相同，如片状纳米银由于具有特殊的表面等离子体共振性能，从而表现出与其他形貌纳米银及其体相材料截然不同的光学性质，在催化、表面增强拉曼、金属增强荧光、红外热疗、生物标记等领域具有极大的应用价值，又如粒径较小和粒度分布均匀的球形纳米银粉导电性能好，是一种优良的微电子导电浆料和电极材料。目前国内制备纳米银的方法多为化学还原法，此方法不容易控制形貌，只能控制纳米银粒子的粒径。而此次研究，将对多元醇制备法进行改良，通过改变温度，时间等变量，改变纳米银的形貌，由此来对比不同形貌的纳米银粒子的导电能力。从生物体的损伤自愈合能力受到启发，美国军方在世纪年代中期首先提出具有自诊断、自修复功能的智能复合材料的概念。所谓材料的自修复功能是指当材料出现损伤时，材料本身在没有外界作用的条件下，可以通过一些方法实现自我修复并具有较高的修复效率的能力。自修复的核心是能量补给和物质补给、模仿生物体损伤愈合的原理，使复合材料对内部或者外部损伤能够进行自修复自愈合，从而消除隐患、增强材料的强度和 延长使用寿命。修复过程的物质补给由流体或流体与固体粉末提供，能量补给由化学作用完成。聚合物基复合材料具有质量轻，比强度及比刚度高，阻尼减振性好，耐环境及抗疲劳性优良，结构的可调性及工艺性好等诸多优点，已经大量应用于宇宙探索飞器、人造卫星、火箭发动机、房屋、桥梁建筑、汽车、飞机、水坝、高速公路、微电子等结构材料。聚合物基复合材料在使用过程中,不论是宏观还是微观上都是容易破坏的，典型的就是冲击破坏，微观上却是出现微裂纹，这些微裂纹往往产生在基体深处因而很难被发现，由此引发宏观裂缝而发生断裂，影响材料正常使用，缩短使用寿命。因此,研究聚合物材料的自修复，主动、自动地对损伤部位进行检测和修复，对聚合物材料在结构构件和高技术领域的应用尤为重要。目前聚合物基复合材料的自修复方法主要有四种：利用小分子降低聚合物玻璃化转变温度,然后热压焊接：利用液芯纤维技术，其中毛细管网络法作为液芯纤维技术的新方法，具有广阔的研究前景；利用微胶囊技术；热可逆交联反应法。其中，微胶囊自修复方法具有制备方法简单、修复过程易于控制和实施等优点，是聚合物基复合材料自修复领域研究最多的一种自修复方法。 目前我国环氧树脂应用主要领域有：电子信息，其中彩电、音响、电话机产量跃居世界第一，目前正在聚焦信息家电、移动计算、数字电视、无线局域网、汽车电子等领域的新兴市场，环氧树脂在其中的应用主要形式是敷铜板、塑封料、浇注料、包封料、贴片胶、模具胶等；交通设备，交通运输设备制造业中大量使用环氧电泳涂料、重防腐涂料、模具胶、工具胶等各类粘接剂、复合材料等；能源工业，环氧树脂在该行业中的应用主要是作为绝缘材料，应用形式主要有层压板、浇注料、塑封料、绝缘漆、粘接剂；汽车制造，高速发展的汽车产业将大力促使环氧树脂生产，目前每辆汽车平均需耗环氧树脂5公斤，随着我国汽车产业的腾飞，内需拉动下环氧树脂在该领域大有可为；建筑、水利行业，环氧树脂在该领域中的使用形式主要包括地坪、防腐涂料、其它建筑涂料、复合材料混凝土、环氧沥青、建筑补强和堵漏材料、大坝防腐材料等；石油石化，环氧树脂在石油石化的应用以防腐为核心，应用形式主要有海上石油平台、油罐、输油管道防腐材料。在环氧树脂的自修复领域里，多用热可逆法或微胶囊法使环氧树脂具有自修复性能，此次实验研究将利用催化剂使双硫键之间的易位反应从而使环氧树脂具有室温自修复性能。双硫键中两个硫原子之间的化学键发生断裂，随后不同双硫键中的硫原子相互连接，形成新的化学键。因为双硫键具有与相同或者不同的硫原子重组化学键的性能，所以聚合物可以在无粘结剂、加热或外压等外加因素作用下进行自修复，而且聚合物中的双硫键可以在体系中多次断裂和重组。通过这种自修复方式，聚合物可以实现模量、拉伸强度等力学性能的完全修复。而加入的纳米银粒子将使改良后的环氧树脂具有导电性，应用更加广泛。重大项目工程的使用寿命通常在几十年至上百年，在经历诸多不确定自然灾害等影响下，导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害，甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。健康监测为保证重大工程结构的安全服役提供了有效的手段。将加入纳米导电粒子的环氧涂层涂于重点部位，即可通过纳米银粒子的电信号变化规律来检测重点部位材料的结构应力等质量要素。因此，此次实验不仅将改良环氧树脂的自修复性能，也将探索纳米银粒子与环氧树脂的结合能力。

2. 研究内容和预期目标

此次实验研究内容主要为交联聚合物。在这种类型的高分子中，分子通过侧基的交联而形成高分子。比如， Saegusa et al. 已经展示了一种交联高分子（乙酰基乙烯基亚胺，含有顺丁烯二酰亚胺或者呋喃羰基的官能团）。他们将两种互补的高分子混合，通过狄尔斯-阿尔德反应，在室温下得到一种交联度更高的材料。而且，这种材料要比原有材料具有更高的热稳定性。然而在80度和适当的溶剂下，这个高分子又通过狄尔斯阿尔德反应分解成两种原料。这意味着这个聚合物已经被降解了。这在理论上也是可行的，因为加热所产生的热量足以让反应越过能垒，从而生成两种单体。冷却这两种单体或者是被降解的产物，在室温下保存7天，它们又会恢复成原来的高分子。新型环氧树脂交联物具有一定的自修复功能，在其受到破坏时，能快速进行修复，与其余自修复材料具有鲜明的区别。新型环氧树脂除了具有修复次数高之外，还具有修复时间短、修复温度低等特点。因此，新型环氧树脂交联物的研究成为目前的研究热点。本课题采用高分子化学合成的相关原理，拟在制备出一种新型的自修复材料，系统研究各工艺条件对其自修复性能影响，具体内容如下：（1）导电纳米颗粒的制备及性能研究；（2）环氧树脂基自修复高分子基体材料的制备及性能研究；（3）纳米掺杂工艺研究；（4）纳米复合高分子材料的制备及工艺研究

3. 研究的方法与步骤

本次实验分三部分进行第一，制备环氧树脂基自修复材料。利用商品化的带双硫键环氧树脂，使用二乙烯三胺为固化剂，并加入碱和膦盐催化剂加速双硫键之间的交换反应，制得通过双硫键之间易位交换反应而实现室温自修复功能的环氧树脂交联物。试剂：带双硫键的环氧树脂EPS 25（购于阿克苏诺贝尔），二乙烯三胺，NaOH固体（分析纯），季膦盐，季铵盐。步骤：1、称取环氧树脂，二乙烯三胺2、将环氧树脂和二乙烯三胺放入烧杯，加入季膦盐（季铵盐）沸水浴30分钟，搅拌。3、将NaOH分批加入。第二，制备不同形貌的纳米银粒子。乙二醇（EG）为溶剂和还原剂，聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）是作为稳定剂，硝酸银（AgNO3）作为银源。试剂：硝酸银（AgNO3），乙二醇（EG），PVO（Mw=58000），NaCl（分析纯），无水乙醇，去离子水。步骤：1、所有玻璃器皿清洗去离子水，碱性溶液（pH 11），酸性溶液（pH值2），丙酮（99.8%），异丙醇（99.8%），最后用去离子水（18.3 MΩ）。2、配置10ml 0.45mol/L的PVP的EG溶液，配置5ml 0.12mol/L的AgNO3的EG溶液，称取7mg的NaCl。3、将PVP溶液放入二颈烧瓶，油浴加热到170℃，搅拌一个小时，同时，将AgNO3通过注射泵加入（5ml/h）。4、停止加热继续搅拌半小时，冷却到室温。 5、水洗，乙醇洗，离心5次。6、60℃烘干得到纳米银粉末。第三，将纳米银粒子添加进制得的环氧树脂。测试性能。实验中，环氧树脂的制备通过改变催化剂种类及添加量来对比研究性能差别。纳米银的制备则通过改变温度及时间来控制纳米银线的形貌。环氧树脂的表征：热稳定性，核磁共振。纳米银的表征：扫描电镜，X射线衍射。

4. 参考文献

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5. 计划与进度安排

毕业设计安排表：（1）第1-3周（2022年3月2日2022年3月20日）查阅文献资料，做开题报告。（2）第4-6周（2022年3月23日2022年4月10日）完成设计的相关实验。（3）第7-14周（2022年4月13日2022年6月5日）结构表征与性能测试。（4）第15-16周（2022年6月8日2022年6月19日）分析总结数据、撰写毕业论文。（5）第17周（2022年6月22日2022年6月26日）毕业答辩。