自修复型高分子材料研究进展

摘要: 高分子材料在加工和使用过程中，其受机械力损伤后一般会导致大分子链均裂或异裂而使材料产
生裂纹,从而引发宏观裂缝而导致破坏,影响其产品的正常使用和使用寿命,然而这些微裂痕在开始的时候难以发现,或者即使被发现也因产品形状等限制原因无法得到及时修复。因此,如果能够赋予高分子材料自修复功能,即可解决上述问题,从而显著提高产品的安全性,延长其使用寿命，使其应用范围更加广泛。
关键词: 自修复;高分子材料;研究进展
前人受到生物体自愈合现象的启发，自修复材料应运而生。其中，高分子材料受机械力损伤后经常导致大分子链均裂或异裂从而使材料产生微裂纹，使材料很快失效，因此，快速修复微裂纹对于诸多的重要领域的高分子材料是十分重要的。自修复高分子材料可以通过模拟生物体对自身微裂纹进行自修复，当外界因素导致材料发生损坏后，材料可以自主进行修补和愈合，从而使产品的应用性能受到的影响大幅减小。目前，在合成高分子材料领域中完全模拟并实现生物体自修复功能是不现实的。目前研究大多利用复合材料技术将感知元件和修复元件以胶囊或空心纤维的形式埋置在高分子基体中，制得具有自修复机能的高分子材料。这并不是真正意义上的自修复高分子材料，因为对于高分子材料内部微观损伤的愈合不应该是通过高分子自身来实现的。近几年通过应用分子设计和计算机模拟等方法在高分子利用自身化学键实现自修复功能方面取得了长足的进步。

　　1第一代和第二代自修复高分子材料

　　1.1微胶囊和液芯纤维型自修复高分子材料

利用埋植技术制备自修复高分子材料是目前使用数较多的方法。通过向聚合物基体中放置修复剂微胶囊或含有修复剂的液芯纤维，在聚合物基体受到外力影响形成裂纹的时候会连锁引起微胶囊或液芯纤维的破裂从而释放修复剂热固性树脂和固化剂，借助于热固性树脂修复剂的固化交联反应将裂纹连接起来达成修复的效果。这普遍被人们认为是第一代自修复高分子材料。尽管利用液芯纤维或微胶囊的方法进行聚合物材料的自愈合的方法很有前景，但还是有诸多限制：裂纹愈合的微观动力学过程和方法依然不够明朗，材料使用期间催化剂性能也会逐渐衰减，材料并不能多次的进行自修复。不过对于自愈合这方面的研究还处于初级阶段，自修复人工材料在不久的将来将会胜任一般材料所难以胜任的方面，如高空探索、深海潜航乃至人造器官的移植等。

　　1.2第二代自修复型高分子材料

近年出现的第二代自修复聚合物材料，使用了与人体血管形式相似的仿生方法进行修复剂的埋置。当聚合物内部发生裂纹现象时，周围的空心纤维将会切断，这时预先灌注在空心纤维的液体修复剂在毛细作用的影响下流出并汇集在裂纹处，液体修复剂固化后会将裂纹修补好。相比于第一代自修复聚合物材料，它的优点是：当裂纹较大并且周围空心纤维中修复剂不足时，远处修复剂会借助于相互贯通的孔道补充到裂纹处；当修补好的裂纹处再次出现裂纹时，仍然可进行一定程度的修复。相比于第一代自修复高分子复合材料，该类材料的自修复速率明显较高，并且能对同一部位进行多次自修复，因而大幅地提高了产品的安全性和可靠性。
第一代和第二代自修复高分子材料本身并不拥有对损伤的应激性和修复功能，它们必须依赖于外加的修复剂（及其固化催化剂）从而进行对裂纹的修补。所以近年来对于如何将外界感知能力和修复能力加入高分子中，是近期高分子化学和智能材料领域的研究方向。

　　2本征型自修复高分子材料

与微胶囊型和液芯纤维型自修复高分子材料截然不同，分子间相互作用力型自修复高分子材料中不含外来的修复剂，仅靠材料本体分子链间的相互作用力对材料进行修复。当材料受到损伤后，由于裂纹周围分子链的滑移，分子链中的活性官能团会发生相互作用，从而完成材料的自我修复。也就是说，即使材料多次在同一部位受到损伤，仍可通过氢键作用进行自修复，并且每次修复效率都不会下降。
与微胶囊型和液芯纤维型自修复高分子材料相比，分子间相互作用力型自修复高分子材料的修复行为可逆性显然更高，并且在多次修复后依然具有较强的修复能力。

　　3展望

本文总结了近几年来自修复高分子材料的研究进展，简要分析了各种自修复材料的优缺点。自修复材料目前的发展方向主要以材料性能和功能为主，性能方面主要关注材料是否能同时具备优异的力学性能和自修复功能。例如，微胶囊型的裂纹响应效率提升，本征型自修复材料的修复速度的提高，如何在自修复的过程中保持一定的材料性能也是研究的重点。而在功能方面，则主要结合实际应用需求为材料寻求新的发展，比如上述的人工肌肉等生物医用材料、耐磨透光防雾涂料等。总的来看，自修复材料如何往商业化和实际应用靠拢应该是科研人员未来考虑和研究的方向。

　　参考文献:

[1]李梦雪,吴海平,朱有龙,王朝.力学自适应性电学高分子的简介、设计及其应用[J].高分子学报,2019,50(03):247-260.
[2]沈伟,赵博文,刘佳莉,周兴.自修复高分子材料研究进展[J].工程塑料应用,2018,46(02):128-131.
[3]沈伟,赵博文,刘佳莉,周兴.钴基自修复聚酰胺导电高分子材料的制备与性能[J].工程塑料应用,2017,45(11):1-6+18.
[4]陈晓丹,蒋国霞.自修复高分子材料近五年的研究进展[J].高分子通报,2017(08):39-47.
[5]牛丽红,邓利.自修复材料应用研究进展[J].合成树脂及塑料,2017,34(04):85-89.
[6]焦爱新.智能高分子材料在建筑工程中的应用[J].工程塑料应用,2017,45(03):126-129.
[7]冯建中,明耀强,张宇帆,郭浩槟,黄凯鑫,胡剑峰,瞿金清.异氰酸酯胶囊型自修复高分子材料研究进展[J].化工进展,2016,35(01):175-181.
[8]章明秋,容敏智.结构用自修复型高分子材料的制备[J].高分子学报,2012(11):1183-1199.
[9]李思超,韩朋,许华平.自修复高分子材料[J].化学进展,2012,24(07):1346-1352.
[10]王明存,朱海荣.高分子材料自修复机理的研究进展[J].材料导报,2012,26(11):89-95+100.