2.1 囊壁形成机理
由于该反应发生在液滴表面,每个液滴都可以看作是微小的本体聚合反应器,故设计本体聚合模拟囊壁的形成历程. 在乳液聚合条件下,如果直接取乳液进行测试,很难确保每次取样时环氧树脂液滴含量一致,另外液体中的乳化剂及水会对实验结果造成影响,因此对环氧树脂囊壁形成机理采用本体聚合反应进行阐述是合理的. 通过研究三乙烯四胺与环氧树脂液滴表面形成交联结构的化学反应历程,发现三乙烯四胺结构中伯胺、仲胺与环氧基反应活化能存在差异[8]. 采用傅里叶红外光谱动态分析法研究三乙烯四胺中伯胺、仲胺与环氧基反应速率差异. 将E-51与TETA加入烧杯,混合均匀后涂抹在溴化钾压片上,每隔10 min进行红外扫描.图1为这两种物质反应前后的红外光谱. 根据朗伯比尔定理D=εbc(其中, D为光密度, ε为吸光系数, b为样品厚度, c为样品浓度), 由于样品厚度与吸光系数保持不变,故物质光密度与浓度成正比. 环氧基团指纹区特征吸收峰分别为1 250、916和830 cm-1. 830 cm-1和1 250 cm-1处吸收峰分别被环氧树脂苯环上氢原子的面外弯曲振动和苯醚的碳-氧单键的伸缩振动覆盖,只有916 cm-1处吸收峰没有受到干扰. 随着反应进行,可以清晰看到916 cm-1谱带强度逐渐减弱,故位于916 cm-1谱带能够灵敏地反映环氧基含量的变化[9].
图1 环氧树脂与三乙烯四胺反应前后的红外光谱
Fig.1 FTIR spectra of epoxy resin
TETA中伯胺3 360~3 200 cm-1有两个中等强度的吸收峰,但伯胺、仲胺(3 300 cm-1)及环氧树脂中少量羟基(3 600~3 200 cm-1)的吸收谱带重叠,在3 600~3 100 cm-1处表现为很宽的吸收谱带,不能用作定量分析. 伯胺面外弯曲振动峰位于864 cm-1,仅因为伯胺有此吸收峰,故该峰可作为定量分析TETA中伯胺反应程度的依据. 仲胺特征吸收峰位于1 130 cm-1,可观察到此峰随着反应进行逐渐消失,而旁边两个峰的光密度保持不变. 该峰为弱吸收峰,若通过此峰分析仲胺基反应程度会造成较大误差. 因反应前后1 038 cm-1处醚键吸收峰高度不变,说明醚键不参与反应,而是由胺基形成交联点,所以仲胺的反应程度可由P2=2P-P1导出[10],其中, P为环氧基反应程度,P1为伯胺的反应程度,伯胺、仲胺及环氧官能团相对光密度随反应时间的变化请扫描论文末页右下角二维码. 综上所述,选取916 cm-1及864 cm-1处谱带的光密度分别作为定性分析环氧基和伯胺及反应程度的依据,绘制环氧基与伯胺光密度随时间变化的曲线,见图2. 以苯环吸收峰(1 606 cm-1)为内标,测定反应前后916、864及1 606 cm-1谱带光密度变化,通过环氧基、伯胺基团吸收峰与苯环骨架振动吸收峰的光密度比值,即可算出相对光密度[10]. 根据反应程度的定义[11],环氧基及伯胺的反应程度为P916/864=1-(D'(916/864)/D'(1 606))/(D(916/864)/D(1 606)). 其中, D(916/864)/D(1 606)为起始环氧基或伯胺的相对光密度; D'(916/864)/D'(1 606)为反应至t时刻环氧基或伯胺的相对光密度. 官能团光密度、相对光密度及反应程度随时间变化见表1. 使用官能团反应程度对反应时间作图,得到图3. 在同一时刻伯胺反应程度(P1)大于仲胺(P2), 说明在反应过程中,伯胺优先与环氧基发生开环反应,仲胺反应速率低于伯胺[9].
图2 反应过程中环氧树脂相对光密度的变化
Fig.2 Changes in relative absorbance of epoxy resin during the reaction
图3 反应过程中官能团反应程度的变化
Fig.3 Changes in extent of reaction of epoxy resin during the reaction
表1 伯胺、仲胺和环氧官能团相对光密度的变化
Table 1 Comparison of FTIR bands of primary amine and epoxy
2.2 环氧树脂微胶囊合成条件
这种环氧树脂微胶囊存在储存期短的现象,因为在界面聚合过程中液滴表面固化速率较慢,长时间搅拌使部分固化剂通过扩散作用进入液滴内部,与囊芯反应导致囊芯失去流动性. 本研究基于文献[8]设计正交试验,通过优化工艺条件,实现固化剂在液滴表面迅速形成交联结构,减少固化剂向囊芯扩散,延长微胶囊储存期. 以囊芯含量和储存期(环氧树脂微胶囊囊芯含量和囊芯环氧基反应程度)作为指标,设计4因素3水平的L9(34)正交试验,研究乳化剂用量、固化剂用量、固化剂滴加速率及固化温度对微胶囊的储存期影响,优化环氧树脂微胶囊的合成条件.正交试验因素水平见表 2. 表3给出了L9(34)正交试验安排和在不同条件下合成的环氧树脂微胶囊物性参数.
通过分析各因素水平变化对指标的影响,分别绘制工艺条件对囊芯含量和环氧值变化的影响点图,结果请扫描论文末页右下角二维码. 由表2可见,影响微胶囊起始囊芯含量的主次顺序为固化剂C>A>D>B. 固化剂滴加速率较慢时, 附着于液滴
表2 正交实验因素与水平
Table 2 Factors and levels of L9(34)for epoxy microcapsules
表3 环氧树脂微胶囊制备工艺正交设计及实验结果
Table 3 The condition and results of orthodoxy experiment L9(34)for epoxy microcapsules
表面的固化剂较少,液滴表面固化慢且形成的囊壁较薄,固化剂容易扩散进入液滴内部与囊芯反应,导致囊芯含量较低且储存期较短; 当增大固化剂滴加速率1.6 g/h时,虽然形成微胶囊囊芯含量衰减缓慢,但囊芯含量少,囊壁厚度大,可能在裂纹产生时,前端应力不能使微胶囊破裂,从而无法实现材料自修复. 乳化剂用量影响微胶囊囊芯含量,因为增加乳化剂用量,使得微胶囊粒径减小,比表面积增加,有更多环氧树脂进行固化导致囊芯含量较低. 综上,选用乳化剂用量为1.2%,固化剂滴加速率为1.2 g/h,可得囊壁厚度合适和囊芯含量较高的环氧树脂微胶囊.
图4为环氧树脂微胶囊囊芯含量及环氧基反应程度随时间的变化. 第2组制得的微胶囊囊芯含量最高且储存期长,室温条件下储存12 d囊芯的质量分数仅减少3.3%. 第4组和第9组虽然囊芯含量下降较多,但均在第6 d趋于平稳,可观察破裂微胶囊中有液芯流出. 其余6组在12 d后虽仍测得囊芯含量,但已失去流动性,无法从破裂微胶囊观察到液体流出. 结合正交试验中起始囊芯含量及储存期数据,合成环氧树脂微胶囊优化工艺如下:乳化剂和固化剂的质量分数均为1.2%、固化剂滴加速率为1.2 g/h、固化温度50 ℃,即优化合成条件为A1B3C2D1.优化后合成的环氧树脂微胶囊囊芯含量及环氧基反应程度随时间的比较,优化前微胶囊囊芯质量分数起始值为55.20%,12 d后下降至27.44%; 优化后环氧树脂微胶囊囊芯质量分数起始值为82.3%,12 d后囊芯质量分数下降了2.0%(请扫描论文末页右下角二维码).采用载玻片对优化后的微胶囊施加剪切力时微胶囊破裂,储存12 d后的微胶囊仍有可流动的囊芯,说明已通过优化实验延长微胶囊材料储存期(请扫描论文末页右下角二维码).
图4 环氧树脂微胶囊囊芯含量及囊芯环氧基反应程度随储存时间的变化
Fig.4 Changes of the core content and the reaction degree of epoxy groups in various experimentals
2.3 环氧树脂微胶囊的结构及性能表征
2.3.1 环氧树脂微胶囊粒径分布
采用广角静态动态同步激光散射仪测得微胶囊的粒径分布(图5).
图5 微胶囊粒径分布
Fig.5 Particle size distributions of microcapsules
环氧树脂微胶囊粒径呈正态分布,其中最大粒径为624.4 μm,最小粒径为108.5 μm,平均粒径为275.3 μm. 微胶囊粒径分布具有多分散性,因为在搅拌作用下,反应器中不同空间位置的乳液受到的剪切力不同,获得的动能不同,搅拌桨周围乳液受到的剪切力较反应容器的器壁处乳液受到的剪切力大,获得的动能也较大,因此在搅拌桨附近,乳液形成了很多微漩涡,有利于形成粒径偏小的微胶囊; 在远离搅拌桨的位置,形成的微胶囊粒径偏大[12].
2.3.2 微胶囊表面形貌分析
通过SEM观察优化后的微胶囊,环氧树脂微胶囊呈规则球形,表面光滑,囊壁致密,胶囊分散性好,见图6(a). 用尖锐的刀片将微胶囊截切,在 SEM 下观察破裂后的微胶囊断面,观察到胶囊内壁光滑致密,同时可以测量出该微胶囊囊壁厚度约为12.5 μm,见图 6(b). 选取5个区域,每个区域约5~10个环氧树脂微胶囊,测量囊壁壁厚,统计得到微胶囊平均囊壁厚度为11.8 μm.
图6 通过SEM观察环氧树脂微胶囊表面形貌
Fig.6 SEM micrographs of microcapsules
2.3.3 环氧树脂微胶囊热稳定性表征
图7是环氧树脂E-51和环氧树脂微胶囊热失重曲线. 由图7可见,环氧树脂囊芯分解温度在230 ℃附近, 450 ℃分解完全. 环氧树脂微胶囊起始分解温度高于230 ℃,约270 ℃开始分解. 这是因为交联固化后的环氧树脂囊壁分解温度比E-51高. 另外囊壁致密,保护囊芯材料不进行分解,在囊壁材料分解之前微胶囊总质量保持不变.
图7 环氧树脂与环氧树脂微胶囊热失重曲线
Fig.7 TGA curve of epoxy resin and epoxy microcapsules
2.3.4 微胶囊与环氧树脂基体界面状态
图8为环氧树脂微胶囊囊壁外表面的红外光谱图,由图8可见,1 130 cm-1和916 cm-1处存在明显的吸收峰,表明该环氧树脂微胶囊囊壁表面存在未反应的胺基和环氧基. 将微胶囊埋植于环氧树脂基体中,通过万能电子拉力机使材料断裂,采用SEM研究微胶囊与树脂基体的结合情况. 图9为剥离微胶囊的表面形貌,显示微胶囊与树脂基体之间的连接紧密,无明显的界面层,说明环氧树脂微胶囊和树脂基体除了物理结合外,微胶囊表面未反应的胺基和环氧基与基体化学基团之间形成化学键,这种环氧树脂微胶囊与环氧树脂基体无差异的界面形成,是本研究设计的材料特点和优点之一.
图8 环氧树脂微胶囊囊壁表面的红外光谱
Fig.8 FTIR spectra of E-51 microcapsules surface
图9 通过SEM观察环氧树脂微胶囊与环氧树脂基体结合情况
Fig.9 The fractured surface for the epoxy microcapsules embedded into epoxy matrix
2.3.5 微胶囊/环氧树脂自修复复合材料修复性能
通过万能电子拉力机测试纯环氧树脂及微胶囊/环氧树脂复合材料未损伤、损伤及修复后的应力应变曲线,计算微胶囊对材料的自修复性能的影响,结果见图 10. 纯环氧树脂在损伤-修复后拉伸强度无明显改变,说明纯环氧树脂没有自修复性能. 掺杂2%质量分数的200~300 μm微胶囊的环氧树脂复合材料起始拉伸强度下降为56.69 MPa,因为微胶囊的强度远不如基体的强度,材料在微胶囊埋植的位置容易出现应力集中,降低了复合材料中能够承受的拉力.微胶囊/环氧树脂自修复复合材料经拉伸-修复后拉伸强度有所恢复,修复率为67.04%. 对修复区域的断面进行SEM分析,观察裂纹扩展至微胶囊表面后撕裂囊壁,囊芯在毛细管作用下浸润裂纹面,形成交联物黏接裂纹,见图 11.
图 10 环氧树脂微胶囊用量10%的拉伸修复性能
Fig.10 healing performance of tension in epoxy resin microcapsules content 10%
图 11 通过SEM观察微胶囊修复机理
Fig.11 Observation of microcapsule repair mechanism