Charpy impact tests of epoxy matrix filled with poly(urea-formaldehyde) microcapsules for self-healing appplications

• Autorzy: Bolimowski P. A. , Kozera R. , Kozera P. , Boczkowska A.

Warianty tytułu

PL

Badania udarności kompozytów o osnowie epoksydowej zawierającej mikrokapsułki mocznikowo-formaldehydowe do zastosowań w materiałach samonaprawialnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Smart self-healing epoxides have attracted immense interest in the industry due to their capability to prevent crack propagation and increase material service life. Self-healing can be achieved via a number of approaches, where microcapsule-based systems are deemed to be the closest to market implementation. The work presented here demonstrates the effect of polymeric microcapsules made of poly(urea-formaldehyde) on the Charpy impact resistance of a standard epoxy matrix. Poly(urea-formaldehyde) microcapsules containing epoxy resin (EPIDIAN 52) and organic solvent (Ethyl phenylacetate) were prepared using in-situ polymerisation in an oil-in-water emulsion as described in the literature. The Charpy impact tests were performed on specimens made of neat epoxy resin (EPIDIAN 52) - amine hardener (Z1) as well as for the epoxy filled with microcapsules with 1, 2.5, 5, 10 and 25 wt.%. The test results have shown that the presence of brittle and spherical additives has a detrimental effect on the mechanical properties of the polymer, resulting in a maximum 80% reduction in impact strength for the samples with the highest content of microcapsules. In addition, the fracture surfaces of the impacted specimens were investigated using a Scanning Electron Microscope (SEM). Significant differences were observed between the reference samples and those containing microcapsules, particularly when the microcapsule weight fraction is high.

PL

Polimery epoksydowe zdolne do samonaprawiania cieszą się dużym zainteresowaniem przemysłu dzięki ich zdolnościom do hamowania propagacji pęknięć, przez co wydłużają żywotność materiału w trakcie jego eksploatacji. Zdolność polimeru do samonaprawiania może być osiągnięta w różny sposób. Spośród różnych systemów samonaprawiania wykorzystanie mikrokapsułek wydaje się być najbliższe możliwości ich praktycznego zastosowania w przemyśle. W niniejszej pracy zbadano wpływ polimerowych mikrokapsułek wykonanych z poli(moczniko-formaldehydu) na odporność udarową standardowej żywicy epoksydowej, mierzoną metodą Charpy’ego. Poli(mocznikowo-formaldehydowe) mikrokapsułki zawierające żywicę epoksydową (EPIDIAN 52) oraz rozpuszczalnik organiczny (etylofenylooctan) zostały wytworzone metodą polimeryzacji w wodnej emulsji znanej z literatury. Udarność metodą Charpy’ego została zbadana dla żywicy epoksydowej (EPIDIAN 52) utwardzanej aminowym utwardzaczem (Z1) bez i z zawartością 1, 2,5, 5, 10 i 25% wagowych mikrokapsułek. Wykonane badania wykazały, że obecność kruchych i sferycznych dodatków ma niekorzystny wpływ na właściwości mechaniczne polimeru, powodując maksymalnie 80% spadek udarności dla próbek o najwyższej zawartości mikrokapsułek. Ponadto kruche przełomy zostały poddane obserwacjom mikroskopowym za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Stwierdzono znaczące różnice pomiędzy próbkami referencyjnymi a modyfikowanymi mikrokapsułkami, w szczególności przy dużej zawartości mikrokapsułek.

Słowa kluczowe

EN

epoxy resin; microcapsules; composites; Charpy impact; scanning electron microscopy

PL

żywica epoksydowa; mikrokapsułki; kompozyty; udarność Charpy’ego; skaningowa mikroskopia elektronowa

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 4
• Strony: 206--210
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bolimowski P. A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Kozera R.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Kozera P.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Boczkowska A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Ellis B., Chemistry and Technology of Epoxy Resins, Springer-Science + Business Media, Bath 1993.
• [2] Zaikov E., Bazylyak L.I., Aneli N., Polymers for Advanced Technologies - Processing, Characterisation and Applications. CRC Press, Toronto 2013.
• [3] Williams R.J.J., Epoxy Polymers, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2010.
• [4] Binder W.H., Self-healing Polymers: From Principles to Application, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2013.
• [5] Hager M.D., Greil P., Leyens C., van der Zwaag S., Schubert U.S., Self-healing materials, Adv. Mater. 2010, 22, 5424-5430.
• [6] Xanthos M., Functional Fillers for Plastics. Weinheim, Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2005.
• [7] Huang J.S., Gibson L.J., Elastic moduli of a composite of hollow sphered in a matrix, J. Mech & Phys. Solid. 1993, 41, 55-75.
• [8] Pearson R.A., Sue H.-J., Yee A.R., Toughening of Plastics: Advances in Modeling and Experiments, American Chemical Society Publication 2000, 757.
• [9] Chen J., Kinloch A.J., Sprenger S., Taylor A.C., The mechanical properties and toughening mechanisms of an epoxy polymer modified with polysiloxane-based core-shell particles, Polymer 2013, 54, 4276‐4289.
• [10] Park S.-J., Jin F.-L., Lee C., Preparation and physical properties of hollow glass microspheres-reinforced epoxy matrix resins, Mater. Sci. Eng. A 2005, 402, 335-340.
• [11] Blaiszik B.J., Sottos N.R., White S.R., Nanocapsules for self-healing materials, Compos. Sci. Technol. 2008, 68, 978-986.
• [12] Rzeszutko A.A., Brown E.N., Sottos N.R., Tensile Properties of Self-. Healing Epoxy, TAM Tech. Rep. 2003, 1041-1055.
• [13] Lai J.H., Sottos N.R., Effect of Microcapsule Size on Tensile Properties of Self-Healing Composites, 15-25, http://sottosgroup.beckman.illinois.edu/papers/undergrads/Lai_paper_JWP2.pdf.
• [14] Brown E.N., Microcapsule induced toughening in a selfhealing polymer composite, J. Mat. Sci. 2004, 39, 1703-1710.
• [15] Brown E.N., Sottos N.R., White S.R., Fracture testing of a self-healing polymer composite, Exp. Mech. 2002, 42, 372-379.
• [16] Brown E., White S., Sottos N., Retardation and repair of fatigue cracks in a microcapsule toughened epoxy composite - Part I: Manual infiltration, Compos. Sci. Technol. 2005, 65, 2466-2473.
• [17] Brown E., White S., Sottos N., Retardation and repair of fatigue cracks in a microcapsule toughened epoxy composite - Part II: In situ self-healing, Compos. Sci. Technol. 2005, 65, 2474-2480.
• [18] Jin H., Miller G.M., Sottos N.R., White S.R., Fracture and fatigue response of a self-healing epoxy adhesive, Polymer 2011, 52, 1628-1634.
• [19] Jin H., Miller G.M., Pety S.J., Griffin A.S., Stradley D.S., Roachd D., Sottos N.R., White S.R., Fracture behavior of a self-healing, toughened epoxy adhesive, Int. J. Adhes. Adhes. 2013, 44, 157-165.
• [20] Bolimowski P.A., Bond I.P., Wass D.F., Robust synthesis of epoxy resin-filled microcapsules for application to selfhealing materials, Phil. Trans. R. Soc. 2016, A 374, 20150083.
• [21] Coope T.S., Mayer U.F.J., Wass D.F., Trask R.S., Bond I.P., Self-healing of an epoxy resin using scandium(III) triflate as a catalytic curing agent, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 4624-4631.
• [22] Standard no PN-EN ISO 179-1.
• [23] Blaiszik B.J., Caruso M.M., McIlroy D.A., Moore J.S., White S.R., Sottos N.R., Microcapsules filled with reactive solutions for self-healing materials, Polymer 2009, 50, 990-997.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).