自修复微胶囊的应用领域

1.沥青自修复

沥青是使用广泛的路面材料，但它在光照、温度、车载等外界因素作用下会发生老化，极易产生裂纹。目前，修复裂纹最常用的方法依赖于人工修补，处置时间长且滞后，无法实现实时自动修复。自修复微胶囊可以实时自发地修复沥青路面裂缝，解决路面的抗滑性及环境的危害性，国内外众多学者尝试将再生剂以微胶囊的形式添加到沥青混合材料中。它的修复机理是：首先将包裹修复剂的微胶囊均匀分散于沥青内部，当沥青混合材料内部出现裂纹时，裂纹扩展遇到微胶囊，微胶囊囊壁受到应力作用发生破裂，包裹的修复剂在毛细作用下流出，对微裂纹进行修复。Zhang等人通过扫描电子显微镜与荧光显微镜观察到涉及微裂纹的微胶囊均破裂，再生剂流出扩散对沥青裂缝进行修补，随后裂缝逐渐闭合（图10-15）。

Garcia等人表征了5种不同的微胶囊的组成及强度，研究了微胶囊在沥青混合材料中的间接拉伸强度、疲劳寿命以及压实的能力。实验结果表明，大多数的微胶囊可以抵抗沥青混合材料的搅拌及压实，并且微胶囊的加入对沥青混合材料的疲劳寿命无显著影响。Sun等人通过原位聚合法制备了三聚氰胺脲醛树脂包裹轻质油的沥青自修复微胶囊，微胶囊形貌如图10-15所示。通过因素法确定微胶囊的最佳制备工艺，最终得到微胶囊的粒径约为100μm，产率可达85.5%，且具有良好的热稳定性。

图10-15　沥青自修复微胶囊修复原理

2.混凝土自修复

混凝土材料是用途最广、用量最大的建筑材料，但是它最大的缺点就是脆性大、抗拉强度低，服役期间内部极易产生裂纹。微裂纹容易导致有害物质的侵入，缩短混凝土结构的使用寿命，还会引起混凝土结构的渗漏，影响建筑结构的防水功能等。混凝土建筑的修复维修方法繁杂，需要专用的机器及修复材料，成本高昂耗费时间。国内外学者对混凝土材料裂缝的修复进行了大量的研究。

混凝土自修复微胶囊是将混凝土修复剂封装进微胶囊，再植入到混凝土材料基体中。当材料出现微裂纹时，微胶囊可以及时破裂并释放出修复剂，从而修复裂缝。美国罗德岛大学的Michelle Pelletier等人以硅酸钠作为修复剂制备自修复微胶囊，当微胶囊破裂后，修复剂Na2SiO3流出与混凝土中的Ca（OH）2反应生成一种钙硅化合物，这种化合物类似于胶状物质，能够修复裂缝并封闭混凝土中的气孔，反应式为Na2SiO3+Ca（OH）2=CaSiO3+2NaOH；万健等人采用了原位聚合法制备了以环氧树脂为芯材，脲醛树脂为壁材的自修复微胶囊，并掺入混凝土中，研究自修复混凝土的强度，发现48h抗折强度恢复75.6%。

微胶囊自修复混凝土，可以主动、自动地对损伤部位进行修复，提高混凝土建筑的承载力，延长使用寿命。

3.金属材料防腐(www.xing528.com)

金属材料应用于生产生活的各个领域，但使用过程中容易受到周围环境介质的腐蚀，适当的防腐控制有利于避免许多潜在危害和经济损失。金属的腐蚀是指金属材料由于环境中的湿度、酸碱度等因素的影响失去电子并且发生氧化反应的过程。

对金属的防护主要有以下四个思路：①选材合理，选择相应抗腐蚀性能强的材料。②介质处理，改变腐蚀介质的性质，如引入缓蚀剂。③电化学法，采用阴极保护法或者阳极保护法来保护金属。④表面防护，对金属表面进行防护处理，避免金属受到腐蚀。

在金属表面涂布一层防腐层，是目前使用最广泛的一种措施，但是防腐涂层的作用主要是屏蔽腐蚀介质，在金属遇到外力破坏时，比如穿孔、脱落、龟裂等情况时，防腐涂层的作用就会丧失，并且会出现大阴极小阳极的情况，从而会加速腐蚀。当涂层受到破坏时，对涂层的及时修复处理是非常重要的一部分工作，可以避免进一步的损失。自修复金属防腐涂料的未来发展方向：简化工艺过程，提高可操作性；研究室温自修复的高聚物型智能涂料；扩大天然材料在防护涂料方面的应用。

4.导电线路自修复

随着科学技术的发展，电子设备日趋小巧智能，但是电子设备会不可避免地发生弯曲、扭曲、拉伸、碰撞导致设备使用效率降低和机械损坏。电子设备内部芯片、电路变得越发精密，只要芯片、电路的细小处受到损坏就会影响整个电路正常运转。自修复材料可以改善电路可靠性和延长设备使用寿命，成为更具可持续性的电子设备，Blaiszik等人制备了脲醛树脂包裹液态Ga-In共晶合金的微胶囊，可以修复金（Au）线路上不同程度的损坏。Caruso制备了以含有碳纳米管（SWNT）的氯苯（PhCl）和苯乙酸乙酯（EPA）溶液为芯材，以脲醛树脂为壳层的微胶囊，并且通过机械破裂方式从微胶囊中释放出碳纳米管来修复电路。Sun等人合成了以导电水溶液为芯材，以密胺树脂为壳的导电自修复微胶囊，用于在受损的电子设备中自动恢复导电性。当电子设备受损时使用压力压破微胶囊释放出导电溶液于受损部位，电子设备数分钟内就恢复导电性能。另外，由于导电水溶液具备一定的相变潜热，所以微胶囊可以在设备长久运转时起到降低设备自身温度，维持设备高效运转的作用。

Sun等人为了验证微胶囊的修复能力，将铜箔附着在载玻片上，用附着铜箔的载玻片代替一段导线连接小灯泡、稳压直流电源形成一个串路，如图10-16（a）所示。打开电源时，电路形成通路、灯泡点亮。然后用刀子划伤铜箔的载玻片，形成短路、灯泡熄灭。将微胶囊附着在断裂处用使用大于14N的力压破微胶囊，电路重新形成通路，灯泡点亮。图10-16（b）至图10-16（g）显示的是不同类型的导电微囊形成的修复电路。从图10-16（b）至图10-16（g）可以看出，PEDOT：PSS水溶液微胶囊、Fe3O4分散溶液微胶囊、氧化石墨烯分散溶液微胶囊、自来水微胶囊均可以将灯泡重新点亮。但是去离子水微胶囊不能将灯泡点亮。因为去离子水微胶囊含有的芯材几乎不导电。

聚合物复合材料在使用期间极易产生裂纹或损坏，微胶囊自修复材料通过对裂纹的自动及时修复延长使用寿命，降低维修成本需要解决的问题：微胶囊自修复技术可以实现大体积的自愈，但是修复缓慢且只能单次修复；微胶囊合成工艺的限制，导致芯材的选择十分有限。现阶段，我们需要优化或开发新的制备工艺，提高修复效率，研发出适合多种要求的、经济环保的微胶囊自修复材料。

图10-16　微胶囊性能评价

（a）为电路示意图；（b）为PEDOT：PSS水溶液微胶囊；（c）为Fe3O4分散溶液微胶囊；（d）为氧化石墨烯分散溶液微胶囊；（e）为自来水微胶囊；（f）为去离子水微胶囊