Corecții pentru acest articol

Progrese recente în întărirea interfațială și auto-vindecarea deteriorării compozitelor polimerice pe bază de electrospun și nanofibre suflate cu soluție: o prezentare generală
  • Volumul 130 Numărul 6 Journal of Applied Polymer Science
  • pagini: 4614-4614
  • Prima publicare online: 5 septembrie 2013

Departamentul de Inginerie Mecanică, Universitatea de Stat din Dakota de Nord, Fargo, Dakota de Nord, 58108-6050

Departamentul de Inginerie Mecanică și Industrială, Universitatea din Illinois la Chicago, Chicago, Illinois, 60607-7022

Departamentul de Inginerie Mecanică, Universitatea de Stat din Dakota de Nord, Fargo, Dakota de Nord, 58108-6050

Departamentul de Inginerie Mecanică și Industrială, Universitatea Illinois din Chicago, Chicago, Illinois, 60607-7022

Corecții adăugate la 28 august 2013, după prima publicare online.

ABSTRACT

INTRODUCERE

EȘECUL INTERFACIAL AL ​​PMC ȘI TEHNICILE DE SUPPRIMERE A EȘECELOR

recente

NANOTEHNOLOGIE - TEHNICI DE INSTRUIRE INTERFACIALĂ PE BAZĂ PENTRU PMC LAMINATE

Principalele avantaje ale tehnicilor de întărire interfațiale de mai sus includ costul redus în fabricarea nanofibrelor, greutatea redusă la rezistența specifică superioară și rigiditatea PMC, deoarece nanofibrele de întărire sunt foarte localizate la interfețe și impactul scăzut asupra procesării PMC, astfel încât acest lucru metoda de întărire interfațială poate fi îmbinată convenabil în procesul convențional PMC. Astfel, această întărire interfațială ar trebui să aibă un viitor promițător în industriile PMC. Cu toate acestea, la fel ca toate tehnicile convenționale de întărire, această tehnică de întărire interfațială bazată pe nanofibre nu afectează funcția de autovindecare. Proprietățile mecanice interfaciale se vor degrada ireversibil în timp. Acest lucru a atras recent atenția cercetătorului pentru a rezolva această problemă.

AUTO-VINDECARE A DAUNELOR INTERFACIALE BIO-INSPIRATE PENTRU PMC LAMINATE

În plus, mecanismele de autovindecare deteriorate bazate pe fibre goale încorporate într-un material de inginerie sunt similare cu arterele dintr-un sistem natural. 35, 36 Pentru a încorpora fibrele de sticlă goale care transportă un agent de vindecare în compozite, s-a demonstrat fibrele de sticlă goale disponibile în comerț; pot fi direct consolidate în lamine și apoi fabricate în laminate compozite; adică sistemul de auto-vindecare poate funcționa și ca element de întărire. 35 Avantajele cheie ale conceptului de auto-vindecare a fibrelor goale sunt că fibrele pot fi localizate pentru a se potrivi cu orientarea fibrelor de armare înconjurătoare și, astfel, a minimiza efectul raportului Poisson și nepotrivirea proprietăților dintre rețeaua de auto-vindecare și fibre de întărire. În plus, fibrele pot fi plasate în orice locație din secvența de stivuire pentru a aborda amenințările specifice de eșec (Figura 4).

Experimentele controlate din studiu au indicat că după testul de predamajare în trei puncte, rigiditatea la încovoiere a scăzut substanțial de la 144,8-163,9 kN/m până la 46,3-61,2 kN/m. După 2 ore de vindecare a daunelor în condiții de încărcare liberă, rigiditatea vindecată a crescut până la 99,0–159,0 kN/m și a recuperat rigiditatea cu aproape 70–100%. 12, 84 Analiza fractografică bazată pe microscopie electronică de scanare (SEM) a suprafeței eșuate a probelor a indicat eliberarea autonomă a agentului de vindecare (DCPD) la suprafața delaminată (Figura 5). După reacția ROMP, aceste DCPD-uri polimerizate au funcționat ca știfturi discrete pentru a lega suprafețele delaminate. În plus, deformarea plastică ar putea fi clar diferențiată la punctele vindecate (după defecțiunea finală), corespunzătoare tulpinilor de forfecare substanțiale în timpul testelor de flexiune în trei puncte; acest lucru a permis nepotriviri semnificative ale tulpinilor interfațiale deosebit de populare în PMC laminate. În mod similar, aceste nanofibre de miez din plastic ar putea funcționa, de asemenea, ca nanofibre de întărire înainte de sciziune și similare cu nanofibrele de întărire omogene discutate anterior. 12

Aici, nanofibrele de miez-coajă încărcate cu agent de vindecare utilizate pentru auto-vindecarea daunelor interfațiale ale PMC laminate tocmai au început să intre în viziune. Similar cu alte materiale de auto-vindecare și scheme de întărire interfațiale în PMC laminate, în viitorul apropiat se așteaptă efecte semnificative de cercetare pentru a determina fundamentele întregului proces, inclusiv fabricarea controlată a nanofibrelor de vindecare - miez încărcat cu agent - miez, vindecare - livrarea agentului, întărirea și deteriorarea mecanismelor de auto-vindecare și proiectarea optimă a PMC laminate de auto-vindecare.

FABRICAREA CU EFICIENȚĂ ÎNALTĂ A MIEZILOR - VINDECAREA CUCIULUI - AGENT - NANOFIBRE ÎNCĂRCATE

Electrospinning coaxial (co-electrospinning) a fost dezvoltat ca o tehnică care permite formarea fibrelor și nanofibrelor de dimensiuni micrometrice miez-coajă folosind jeturi electrificate de soluții polimerice. 85 Mecanismul fizic al co-electrospinningului este similar cu cel al electrospinningului. Se bazează pe instabilitatea de îndoire acționată electric a jeturilor electrificate și este un exemplu particular al instabilității Earnshaw în electrostatice. 86, 87 Instabilitatea de îndoire are ca rezultat o configurație de tip fractal a unui jet de polimer în zbor și o lungime enormă corespunzătoare, pe care o dobândește la o distanță de aproximativ 10 cm de la ac la colector. Ca rezultat, jetul se întinde cu o rată de ordinul a 10 3 s −1 și devine foarte subțire, în timp ce viscoelasticitatea previne ruperea capilară. În paralel, solventul se evaporă, polimerul precipită și se solidifică și astfel se formează nanofibre.

În co-electrospinning, două soluții de polimer sunt furnizate separat acului miezului-carcasă (Figura 6). La ieșirea acului miez-coajă atașat seringii cu compartiment dublu apare o picătură de miez-coajă. 88, 89 Picătura este întinsă de solicitările electrice Maxwell direcționate spre contraelectrod și, în regimuri supercritice, atunci când tragerea electrică depășește tensiunea superficială și rezistența viscoelastică, un jet de miez-coajă este emis din vârful său. 90 Este supus instabilității de îndoire discutate anterior. Mai multe recenzii au fost recent dedicate electrospininning 91-93 și au arătat că această tehnică este utilizată pe scară largă de multe grupuri de cercetare.

O versiune simplificată a co-electrospinningului, care nu necesită un ac core-shell, două pompe de seringă separate și conducte pentru furnizarea a două soluții polimerice, poate fi realizată cu o configurație standard de electrospinning, dar cu aplicarea sa la lichidul Newtonian - polimer sau polimer –Emulsii polimerice. 94 În special, soluțiile de poli (metacrilat de metil) (PMMA) și PAN în DMF au fost amestecate și lăsate timp de 1 zi pentru a forma o emulsie. În 24 de ore, amestecul s-a separat într-o emulsie picătură PMMA/DMF de 100 μm într-o matrice continuă PAN/DMF. Această emulsie a fost electrospun cu o configurație standard de electrospinning [Figura 7 (a, stânga)]. În acest caz, conul miez-coajă Taylor la ieșirea acului a apărut doar periodic când o picătură PMMA/DMF a fost antrenată și blocată în tipul unui con Taylor monolichid din matricea PAN/DMF [Figura 7 (stânga)] . Chiar dacă apariția unor astfel de picături de PMMA/DMF blocate a fost intermitentă, astfel de picături au existat în cea mai mare parte a timpului procesului. Un miez lung de aproape 1 m s-a format dintr-o singură picătură și a fost foarte dificil să se găsească un spațiu de polimer unic între două secțiuni ale fibrei miezului-carcasă [Figura 7 (b)]. Emulsia electrospinning a mai multor alți polimeri a fost descrisă în altă parte. 95-99

Fibrele miez-coajă formate prin emulsie electrospinning au diametre exterioare cuprinse între 0,5-5 μm; această gamă este similară cu cea a fibrelor formate cu co - electrospinning din ace miez - coajă. 85 Pentru a demonstra structura nucleului - carcasă a fibrelor PMMA/PAN formate prin emulsie electrospinning, acestea sunt tratate termic pentru a elimina nucleul PMMA și carboniza carcasa PAN. 94 Un tub de carbon rezultat este prezentat în imaginea SEM din Figura 7 (c).

O metodă radical diferită de formare a nanofibrelor core-shell, așa-numita soluție de suflare sau emulsie de acoperire, a fost introdusă recent pentru producția masivă scalabilă de nanofibre core-shell. 100-103 Această tehnică utilizează un debit de gaz de mare viteză emis de o linie de înaltă presiune la o viteză de 200-300 m/s în jurul unei picături de miez-coajă la ieșirea acului. Picătura poate fi livrată fie dintr-un ac cu miez-coajă, fie dintr-un singur ac în cutia de acoperire a emulsiei; acest lucru este mai simplu și, de aceea, preferabil. Picătura acționată de jetul de gaz se întinde și emite un jet de miez - coajă din vârful său. Acesta din urmă se întinde și se îndoaie puternic sub acțiunea fluxului de gaz ca urmare a instabilității de îndoire antrenate aerodinamic. 104, 105 Diametrul secțiunii transversale a jetului scade rapid până la nanoscală, care după evaporarea solventului, are ca rezultat nanofibre. Productivitatea metodei de reducere a emulsiei este de cel puțin 10 ori mai mare decât cea a co-electrospinningului și a emulsiei electrospinning.

Pe baza celor trei metode descrise anterior (co-electrospinning, emulsie electrospinning și soluție de suflare), am încapsulat recent agenții lichizi de vindecare [în special, DCPD și izoforon diizocianat (IPDI)] în fibre polimerice ultra-subțiri cu diametre exterioare în variază de la 100 nm la câțiva micrometri. 11, 12

Figura 8 ilustrează nanofibrele PAN/DCPD nucleu-shell formate cu co-electrospinning dintr-un ac core-shell. S-a arătat [Figura 8 (a)] că DCPD lichid dizolvat în DMF a fost încapsulat în miezul înconjurat de învelișul PAN exterior. Astfel de nanofibre DCPD/PAN core-shell au o mare promisiune pentru deteriorarea scopurilor de auto-vindecare în geometriile ultra-subțiri. Imaginea din Figura 8 (b) arată că instabilitatea capilară a suprafeței și miezului fibrei a fost ocazional observată în condițiile necorespunzătoare ale co-electrospinningului, în special cu soluții prea diluate.

Microfibrele formate prin emulsia electrospinning sunt prezentate în Figura 9. Aceste fibre electrospun core-shell au fost formate dintr-o emulsie de 8% în greutate PAN și 5% în greutate DCPD. Au fost colectate pe o lamă de sticlă și observate la microscopul optic [Figurile 9 (a, b)]. Figura 9 (b) arată că unele fibre erau ușor mărgele; aceasta a fost probabil cauzată de apariția instabilității capilare. În cazul fibrelor electrospun de emulsie, diametrul miezului era de aproximativ 0,4-1,5 μm; diametrul învelișului a fost în intervalul 1,5-3 μm. A fost posibilă și emulsia electrospinning de 8% în greutate PAN și 5% în greutate IPDI în DMF. 11 Astfel de fibre miez-coajă au fost foarte uniforme [Figurile 9 (c, d)]. Aveau diametre ale miezului în intervalul 0,51-2,01 μm și diametre ale carcasei în intervalul 1,75-3,81 μm.

Emulsiile folosite în electrospinning de emulsie au fost, de asemenea, testate în soluția de emulsie care acoperă. 11 Soluția - fibrele suflate colectate pe lamele de sticlă au fost inspectate la microscopul optic. Imaginile optice ale fibrelor miez-coajă suflate din emulsiile DCPD/PAN din DMF și cele din emulsiile IPDI/PAN din DMF sunt prezentate în figurile 10 (a, b) și respectiv 10 (c, d). Figurile 10 (a, b) arată că în fibrele DCPD/PAN suflate în soluție, diametrul învelișului (PAN) a variat de la aproximativ 1,35 la 3,00 μm, în timp ce diametrul miezului DCPD a fost în intervalul de la 0,44 la 1,30 μm. Pentru comparație, în soluția - fibre suflate IPDI/PAN prezentate în figurile 10 (c, d), diametrul învelișului (PAN) a variat între 1,80 și 2,90 μm, în timp ce diametrul miezului (IPDI) a fost în intervalul 0,40-0,95 μm.

OBSERVAȚII PROSPECTIVE ȘI CONCLUZIVE

Nanofibrele omogene dure și nanofibrele încărcate cu miez - coajă - agent încărcat produse prin co-electrospinning, suflarea soluției și alte câteva tehnici avansate de nanofabricare revizuite în acest articol oferă un nou orizont pentru utilizarea nanofibrelor continue cu costuri reduse pentru întărirea interfață și deteriorează autorepararea compozitelor structurale avansate de mare valoare. Se așteaptă în continuare noi cercetări care să elucideze mecanismele de întărire și deteriorare a autovindecării unor astfel de straturi ultrasunete integrate cu nanofibre încorporate în compozite polimerice în scopul fabricării controlate și modelării raționale.

În plus, cele trei metode de nanofabricare cele mai recent dezvoltate pentru producerea nanofibrelor miez-coajă (co-electrospinning, emulsie electrospinning și soluție de emulsie de acoperire) au fost comparate și s-au dovedit a fi pe deplin capabile să fabrice fibre core-shell cu mai multe vindecări agenți (DCPD sau IPDI) încapsulați în miez. Miezul acestor fibre este înconjurat de o carcasă de polimer, care le oferă stabilitate structurală. Chiar dacă dimensiunile și calitatea fibrelor sunt aproximativ aceleași în toate aceste metode, productivitatea care este extrem de importantă pentru creștere este incomparabil mai mare în metoda de acoperire a soluției, iar acest lucru probabil o face preferabilă pentru producția de masă.

O întrebare importantă asociată cu nucleul de auto-vindecare - fibrele de coajă este legată de rata așteptată a acestora de vindecare. Chiar dacă scalele liniare implicate sunt de ordinul a câteva sute de nanometri până la câțiva micrometri, debitul și viteza de întărire a agenților de vindecare foarte vâscoși în condițiile numărului redus de Reynolds și a fluxurilor târâtoare ar putea fi destul de semnificative. Prin urmare, probabil că nu ne putem aștepta la o vindecare instantanee, ci mai degrabă la o vindecare lentă, dar persistentă, a microfisurilor care apar. O explorare detaliată a aspectelor experimentale și teoretice ale acestor procese de vindecare și conservarea sau recuperarea însoțitoare a rezistenței materialului sunt direcții atractive și importante pentru cercetările viitoare.

În consecință, cercetarea pe această temă ar avansa foarte mult înțelegerea fundamentală a ingineriei interfațiale în compozite polimerice și a nanomanufacturării controlabile pentru producția în masă de nanofibre. Activitățile de cercetare în ceea ce privește întărirea interfațială și deteriorarea auto-vindecării ar beneficia în mare măsură noile generații de compozite polimerice structurale de înaltă rezistență și rezistență ridicată, cu funcții de autovindecare deteriorate și alte compozite avansate cu interfețe multifuncționale nanoinginerești.