[发明专利]一种用于橡胶材料自修复的微胶囊的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于自修复的微胶囊的制备方法，尤其是用于橡胶材料自修复的微胶囊的制备方法。

背景技术

微胶囊是通过成膜材料包覆分散性的固体、液体或气体而形成的具有核-壳结构的微小容器，通常将成膜材料形成的包覆膜称为壁材或囊壁(一般由天然的或合成的高分子材料形成)，成膜材料内部被包覆的物质称为芯材或囊芯。微胶囊大小和形状，随着制备工艺的不同而在很大范围内变化。微胶囊大小通常在2～1000μm范围内，直径小于1μm的胶囊称为纳米胶囊，直径大于1000μm的胶囊称为大胶囊。囊壁厚度在0.2～10μm不等，囊芯在微胶囊总质量中所占的比例也在20～95％范围内变化。

微胶囊在基体出现裂纹时会破裂，释放出的修复剂会通过毛细作用达到裂纹面，修复剂接触到埋在基体里面的催化剂引发聚合从而修复裂纹。微胶囊自修复体系结构有如下几个部分组成：基体材料，微胶囊，修复剂和催化剂。该体系实现了材料内部或外部损伤的自我修复，从而可以阻止复合材料尤其是脆性材料内部裂纹的进一步扩展，显著增加材料的机械强度，明显延长材料的使用寿命。

针对自修复系统包含的自修复微胶囊、催化剂以及树脂基体，在自修复微胶囊合成材料的选择方面，由于脲醛树脂(UF)具有适当的力学强度和耐热性，而二聚环戊二烯(DCPD)黏度较低，在微裂纹或热的作用下可通过虹吸作用流至裂纹面，与预先埋置在聚合物基体中的催化剂或固化剂接触发生聚合反应，愈合裂纹面，从而达到修复材料的目的，因此目前的研究多以脲醛树脂作为微胶囊的囊壁，DCPD为囊芯。

在科学技术飞速发展的今天，橡胶材料的性能不断提高，越来越广泛的应用在人们生活中的各个领域，有的甚至可以替代某些金属材料。但橡胶材料也存在缺限，在加工和使用过程中橡胶材料内部会出现裂纹，这种裂纹极难检测和修复，并且会导致材料机械性能下降，轻则影响使用，重则会威胁到生命安全。因此，能够及时修复裂纹是非常重要的。

目前，关于用于橡胶材料自修复的微胶囊的制备方法，北京化工大学曾做过这方面的研究，但由于整个反应需要在两个容器中完成、转速不好控制、包覆过程中温度升高过快、固化剂一次性添加量过多、包覆时间不够等因素，制备得到的微胶囊粒径不均匀、包覆不完全，并易出现团聚现象。

本发明整个反应在一个容器(如一个三口烧瓶)中进行、转速好控制、包覆过程中温度上升、固化剂分两次添加、包覆时间长，制得的微胶囊粒径均匀、包覆完全、团聚现象少，同时将此微胶囊添加到橡胶基体中成功将其刺破并观察到囊芯从中流出并愈合橡胶的过程。

发明内容

本发明以双环戊二烯为芯材，以脲醛树脂为囊壁材，采用原位聚合技术对芯材进行包覆。自愈合微胶囊的制备过程主要分为三步：双环戊二烯乳液的制备、脲醛树脂预聚体溶液的制备、囊壁材料的包覆即微胶囊的成型。双环戊二烯乳液的制备与脲醛树脂预聚体溶液的制备在同一个容器(如一个三口烧瓶)中进行。得到的微胶囊粒径分布均匀、包覆完全；减少了微胶囊的团聚，分散均匀，与橡胶的相容性好。

一种用于橡胶材料自修复的微胶囊的制备方法，其主要步骤为：将甲醛和尿素的混合溶液(囊壁)加入到预先分散均匀的双环戊二烯(囊芯)中，囊芯与囊壁的质量比为1/1-1/3；在pH为2-5之间，转速为200-500r/min，温度为40-60℃的条件下分散均匀；依次添加固化剂、pH调节剂、固化剂，反应2-10h，趁热抽滤，在50-70℃下烘干得到脲醛树脂包覆双环戊二烯的微胶囊。

作为优选：甲醛与尿素的摩尔比为1/1.5-1/2.5。

作为优选：乳化剂选用乙烯马来酸酐共聚物(EMA)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，乳化剂的浓度为0.25-2.5g/L。

作为优选：反应过程中搅拌器的转速为200-500r/min。

作为优选：固化剂与pH调节剂的质量比5/1-10/1。

作为优选：固化剂与双环戊二烯的质量比1/50-1/10。

效果

1)本发明所涉及的用于橡胶材料自修复的微胶囊的制备方法中整个反应过程在一个反应釜中进行，操作简单；

2)在制备微胶囊过程中逐步添加固化剂替代了一次性添加固化剂，阻止了微胶囊的团聚。

3)本发明制备的微胶囊的囊芯与囊壁的比例满足橡胶材料的要求，且粒径分布均匀、包覆均匀且完全。

附图说明

图1、不同的浓度EMA对乳化效果的影响的光学显微镜(OM)图，其中a、b、c、d分别是EMA浓度为0.75g/L、1.5g/L、2g/L、2.5g/L时乳液的OM图(放大100倍)。