Materiał samonaprawiający
w ubiegłym wieku polimery stały się materiałem bazowym w codziennym życiu produktów takich jak Tworzywa sztuczne, gumy, folie, włókna czy farby. Ten ogromny popyt wymusił wydłużenie ich niezawodności i maksymalnej żywotności, a także zaprojektowanie nowej klasy materiałów polimerowych, które są w stanie przywrócić ich funkcjonalność po uszkodzeniu lub zmęczeniu. Te materiały polimerowe można podzielić na dwie różne grupy w oparciu o podejście do mechanizmu samonaprawiania: wewnętrzny lub zewnętrzny.Autonomiczne polimery samouzdrawiające się podlegają trzystopniowemu procesowi bardzo podobnemu do procesu reakcji biologicznej. W przypadku uszkodzenia pierwszą reakcją jest wyzwalanie lub uruchamianie, co następuje niemal natychmiast po uszkodzeniu. Drugą odpowiedzią jest transport materiałów do dotkniętego obszaru, co również dzieje się bardzo szybko. Trzecią reakcją jest proces naprawy chemicznej. Proces ten różni się w zależności od rodzaju mechanizmu gojenia, który jest na miejscu (np polimeryzacji, splątanie, odwracalne sieciowanie). Materiały te można podzielić według trzech mechanizmów (kapsułkowych, naczyniowych i wewnętrznych), które mogą być skorelowane chronologicznie przez cztery pokolenia. Chociaż podobne pod pewnymi względami, mechanizmy te różnią się w sposobach, w których reakcja jest ukryta lub zapobiegana, dopóki rzeczywiste szkody nie zostaną poniesione.
- łamanie Polimerówedit
- Wiązanie homolityczne
- Schemat 2. Heterolityczne rozszczepienie glikolu polietylenowego. polimery również zostały zaobserwowane w wyniku heterolitycznego rozszczepiania wiązań poprzez eksperymenty z etykietowaniem izotopów. Gdy wiązanie jest rozszczepiane heterolitycznie, powstają gatunki kationowe i anionowe, które z kolei mogą rekombinować w celu naprawy uszkodzeń, mogą być hartowane przez rozpuszczalnik lub mogą reagować destrukcyjnie z pobliskimi polimerami. odwracalne odcięcie wiązania
- supramolecular breakdownEdit
- wewnętrzne systemy polimeroweedit
- polimery oparte na wiązaniach Odwracalnychedytuj
- Systemy polimerowe oparte na tworzeniu i łamaniu wiązań kowalencyjnych edytuj
- Diels-olcha i retro-Diels-Alderedytuj
- polimery Usieciowaneedytuj
- polimeryzacja monomerów wielofunkcyjnychedytuj
- polimery na bazie Tioluedytuj
- Poli(mocznik-uretan)Edycja
- Witrymeryedytuj
- systemy oparte na polimerach Zewnętrznychedytuj
- uzdrawianie Mikrokapsułekedytuj
- podejście Naczyniowedytuj
- Hollow tube approachEdit
- kanały Dyskretneedytuj
- sieci wzajemnie Połączoneedit
- Direct ink writingEdit
- sieci nanorurek Węglowychedytuj
- SLIPSEdit
- ofiarne szwy gwintoweedit
łamanie Polimerówedit
z punktu widzenia molekularnego tradycyjne polimery ulegają naprężeniom mechanicznym poprzez rozszczepienie wiązań sigma. Podczas gdy nowsze polimery mogą dawać w inny sposób, tradycyjne polimery zazwyczaj dają poprzez homolityczne lub heterolityczne rozszczepienie wiązania. Czynniki, które określają, w jaki sposób polimer uzyska obejmują: rodzaj naprężenia, właściwości chemiczne związane z polimerem, poziom i rodzaj solwacji oraz temperaturę.Z perspektywy makromolekularnej, uszkodzenia wywołane stresem na poziomie molekularnym prowadzą do większych uszkodzeń w skali zwanych mikropęknięciami. Powstaje mikropęknięcie, w którym sąsiednie łańcuchy polimerowe zostały uszkodzone w bliskiej odległości, co ostatecznie prowadzi do osłabienia włókna jako całości.
Wiązanie homolityczne
Schemat 1. Homolityczne rozszczepienie Poli (metakrylanu metylu) (PMMA).
polimery ulegają rozszczepianiu wiązań homolitycznych poprzez zastosowanie rodnikowych reporterów, takich jak DPPH (2,2-difenylo-1-pikrylohydrazyl) i PMNB (pentametylonitrosobenzen.) Gdy wiązanie jest rozszczepiane homolitycznie, powstają dwa rodnikowe gatunki, które mogą rekombinować w celu naprawy uszkodzeń lub mogą inicjować inne rozszczepiania homolityczne, które z kolei mogą prowadzić do większych uszkodzeń.
Schemat 2. Heterolityczne rozszczepienie glikolu polietylenowego.
polimery również zostały zaobserwowane w wyniku heterolitycznego rozszczepiania wiązań poprzez eksperymenty z etykietowaniem izotopów. Gdy wiązanie jest rozszczepiane heterolitycznie, powstają gatunki kationowe i anionowe, które z kolei mogą rekombinować w celu naprawy uszkodzeń, mogą być hartowane przez rozpuszczalnik lub mogą reagować destrukcyjnie z pobliskimi polimerami.
odwracalne odcięcie wiązania
niektóre polimery ulegają naprężeniom mechanicznym w nietypowy, odwracalny sposób. Polimery na bazie Dielsa-olchy podlegają odwracalnej cykloaddycji, w której naprężenia mechaniczne rozszczepiają dwa wiązania sigma w reakcji retro Dielsa-olchy. Stres ten skutkuje dodatkowymi elektronami związanymi pi w przeciwieństwie do ugrupowań rodnikowych lub naładowanych.
supramolecular breakdownEdit
polimery Supramolecular składają się z monomerów, które oddziałują nie kowalencyjnie. Wspólne interakcje obejmują wiązania wodorowe, koordynację metalu i siły van der Waalsa. Naprężenia mechaniczne w polimerach supramolekularnych powodują zakłócenia tych specyficznych, nie kowalencyjnych oddziaływań, prowadząc do rozdzielania monomerów i rozpadu polimerów.
wewnętrzne systemy polimeroweedit
w systemach wewnętrznych materiał jest w stanie przywrócić swoją integralność. Podczas gdy podejścia zewnętrzne są na ogół autonomiczne, wewnętrzne systemy często wymagają zewnętrznego wyzwalacza dla uzdrowienia mieć miejsce (takie jak termo-mechaniczne, elektryczne, foto-bodźce, itp.). Można wyróżnić 5 głównych wewnętrznych strategii samoleczenia. Pierwszy z nich opiera się na reakcjach odwracalnych, a najczęściej stosowany schemat reakcji opiera się na reakcjach Dielsa-olchy (DA) i retro-Dielsa-olchy (rDA). Inną strategią jest osiągnięcie samonaprawiania w matrycach termoutwardzalnych poprzez włączenie topliwych dodatków termoplastycznych. WYZWALACZ temperatury umożliwia ponowne rozdzielenie dodatków termoplastycznych w pęknięcia, powodując mechaniczne blokowanie. Związki polimerowe oparte na dynamicznych wiązaniach supramolekularnych lub jonomerach stanowią trzeci i czwarty schemat. Zaangażowane interakcje supramolekularne i klastry jonomeryczne są na ogół odwracalne i działają jako odwracalne połączenia sieciowe, dzięki czemu mogą wyposażyć polimery w zdolność samoleczenia. Wreszcie, alternatywna metoda osiągnięcia samouzdrawiania wewnętrznego opiera się na dyfuzji molekularnej.
polimery oparte na wiązaniach Odwracalnychedytuj
Systemy odwracalne są układami polimerowymi, które mogą powrócić do stanu początkowego, niezależnie od tego, czy są monomeryczne, oligomeryczne, czy nie są usieciowane. Ponieważ polimer jest stabilny w normalnych warunkach, proces odwracalny zwykle wymaga zewnętrznego bodźca do jego wystąpienia. W przypadku odwracalnego polimeru gojącego, jeśli materiał zostanie uszkodzony za pomocą takich środków, jak ogrzewanie i powróci do swoich składników, można go naprawić lub „wyleczyć” do postaci polimeru poprzez zastosowanie pierwotnego stanu użytego do polimeryzacji.
Systemy polimerowe oparte na tworzeniu i łamaniu wiązań kowalencyjnych edytuj
Diels-olcha i retro-Diels-Alderedytuj
wśród przykładów odwracalnych polimerów leczniczych, reakcja Diels-Olcha (DA) i jej analog retro-Diels-Olcha (RDA) wydają się bardzo obiecujące ze względu na swoją odwracalność termiczną. Ogólnie rzecz biorąc, monomer zawierający grupy funkcyjne, takie jak furan lub maleimid, tworzy dwa wiązania węgiel-węgiel w specyficzny sposób i konstruuje polimer poprzez reakcję DA. Ten polimer, po podgrzaniu, rozkłada się do pierwotnych jednostek monomerycznych poprzez reakcję RDA, a następnie reformuje polimer po ochłodzeniu lub w innych warunkach, które początkowo były używane do wytwarzania polimeru. W ciągu ostatnich kilku dekad, dwa rodzaje odwracalnych polimerów zostały zbadane: (i) polimery, gdzie grupy wisiorek, takich jak grupy Furan lub maleimid, sieciowania poprzez kolejne reakcje sprzęgania DA; II) polimery, w których wielofunkcyjne monomery łączą się ze sobą poprzez kolejne reakcje sprzęgania DA.
polimery Usieciowaneedytuj
w tego typu polimerach tworzy się polimer poprzez usieciowanie grup wisiorków z termoplastów liniowych. Na przykład Saegusa et al. wykazały odwracalne sieciowanie zmodyfikowanych Poli (N-acetyloetylenoiminy)zawierających maleimid lub furankarbonyl. Reakcję przedstawiono na schemacie 3. Zmieszali dwa komplementarne polimery, aby uzyskać wysoce usieciowany materiał poprzez reakcję DA jednostek furanu i maleimidu w temperaturze pokojowej, ponieważ usieciowany polimer jest bardziej stabilny termodynamicznie niż poszczególne materiały wyjściowe. Jednak po podgrzaniu polimeru do temperatury 80 °C przez dwie godziny w polarnym rozpuszczalniku, dwa monomery regenerowano w reakcji RDA, co wskazuje na rozpad polimerów. Było to możliwe, ponieważ energia grzewcza zapewniała wystarczającą ilość energii, aby przejść przez barierę energetyczną i skutkować dwoma monomerami. Chłodzenie dwóch monomerów wyjściowych lub uszkodzonego polimeru do temperatury pokojowej przez 7 dni wyleczyło i zreformowało polimer.
Schemat 3. Odwracalne sieciowanie polimerów poprzez reakcję cykloaddycji Dielsa-Aldera pomiędzy furanem i maleimidem.
odwracalna reakcja DA / RDA nie ogranicza się do polimerów opartych na furanie-meleimidach, jak pokazuje praca Schiraldiego i wsp. Wykazali oni odwracalne sieciowanie polimerów posiadających pendentną grupę antracenową z maleimidami. Jednak odwracalna reakcja wystąpiła tylko częściowo po podgrzaniu do 250 °C z powodu konkurencyjnej reakcji rozkładu.
polimeryzacja monomerów wielofunkcyjnychedytuj
w tych układach reakcja DA zachodzi w samym kręgosłupie, aby skonstruować polimer, a nie jako łącznik. W przypadku polimeryzacji i procesów gojenia polimeru na bazie Furano-maleimidu DA-step-Growth (3m4f) wykazano poddanie go cyklom ogrzewania/chłodzenia. Tris-maleimid (3M) i tetra-furan (4F) tworzą polimer w reakcji DA i po podgrzaniu do 120 °C de-polimeryzują w reakcji RDA, w wyniku czego powstają materiały wyjściowe. Następnie ogrzewanie do 90-120 °C i chłodzenie do temperatury pokojowej wyleczyły polimer, częściowo przywracając jego właściwości mechaniczne poprzez interwencję. Reakcję przedstawiono na schemacie 4.
Odwracalna, silnie usieciowana sieć polimerowa na bazie furanu-maleimidu.
polimery na bazie Tioluedytuj
polimery na bazie tiolu mają wiązania dwusiarczkowe, które mogą być odwracalnie usieciowane poprzez utlenianie i redukcję. W Warunkach redukcji Mostki disiarczkowe (SS) w polimerze pękają i powodują powstawanie monomerów, jednak w Warunkach utleniania tiole (SH) każdego monomeru tworzą wiązanie disiarczkowe, sieciując materiały wyjściowe do utworzenia polimeru. Chujo et al. wykazali odwracalny, usieciowany polimer na bazie tiolu przy użyciu Poli (N-acetyloetylenoiminy). (Schemat 5)
schemat 5. Odwracalne sieciowanie polimerów mostkami dwusiarczkowymi.
Poli(mocznik-uretan)Edycja
miękka sieć Poli(mocznik-uretan) wykorzystuje reakcję metatezy w dwusiarczkach aromatycznych, aby zapewnić właściwości samoleczenia w temperaturze pokojowej, bez potrzeby stosowania zewnętrznych katalizatorów. Ta reakcja chemiczna jest naturalnie zdolna do tworzenia wiązań kowalencyjnych w temperaturze pokojowej, co pozwala polimerowi samodzielnie leczyć się bez zewnętrznego źródła energii. Pozostawiony do odpoczynku w temperaturze pokojowej, materiał naprawił się z wydajnością 80 procent po zaledwie dwóch godzinach i 97 procent po 24 hours.In 2014 wykazano, że materiał na bazie elastomeru polimocznikowego jest samouzdrawiający się, łącząc się ze sobą po przecięciu na pół, bez dodatku katalizatorów lub innych chemikaliów. Materiał zawiera również niedrogie dostępne na rynku związki. Cząsteczki elastomeru zostały zmodyfikowane, dzięki czemu wiązania między nimi były dłuższe. Powstałe cząsteczki są łatwiejsze do oderwania od siebie i lepiej zdolne do rebond w temperaturze pokojowej z prawie taką samą siłą. Rebonding może być powtórzony. Rozciągliwe, samouzdrawiające się farby i inne powłoki niedawno zbliżyły się do powszechnego użytku, dzięki badaniom prowadzonym na Uniwersytecie Illinois. Naukowcy wykorzystali tam „gotowe” komponenty do stworzenia polimeru, który łączy się z powrotem po przecięciu na pół, bez dodatku katalizatorów lub innych chemikaliów.
polimery mocznikowo-uretanowe mają jednak szkliste temperatury przejścia poniżej 273 K, dlatego w temperaturze pokojowej są żelami, a ich wytrzymałość na rozciąganie jest niska. Aby zoptymalizować wytrzymałość na rozciąganie, należy zwiększyć odwracalną energię wiązania lub długość polimeru, aby odpowiednio zwiększyć stopień kowalencyjnego lub mechanicznego blokowania. Jednak zwiększenie długości polimeru hamuje mobilność, a tym samym upośledza zdolność polimerów do ponownego odwracalnego wiązania. Tak więc na każdej długości polimeru istnieje optymalna odwracalna energia wiązania.
Witrymeryedytuj
Witrymery są podzbiorem polimerów, które wypełniają lukę między termoplastami i termoutwardzalnymi. Ich zależność od dysocjacyjnej i asocjacyjnej wymiany w dynamicznych kowalencyjnych sieciach adaptacyjnych pozwala na dostęp do różnych układów chemicznych, które pozwalają na syntezę mechanicznie wytrzymałych materiałów z możliwością wielokrotnego przetwarzania przy zachowaniu ich właściwości strukturalnych i wytrzymałości mechanicznej. Samoregeneracyjny aspekt tych materiałów wynika z wymiany wiązań usieciowanych gatunków jako odpowiedzi na zastosowane bodźce zewnętrzne, takie jak ciepło. Wymiana dysocjacyjna jest procesem, w którym sieciowane połączenia są łamane przed rekombinacją gatunków sieciujących, w ten sposób odzyskując gęstość sieciowania po wymianie. Przykłady wymiany dysocjacyjnej obejmują odwracalne reakcje perycykliczne, transalkilację nukleofilową i transaminację aminową. Wymiana asocjacyjna obejmuje reakcję substytucji z istniejącym łączem sieciowym i zachowanie połączeń sieciowych w całej wymianie. Przykłady wymiany asocjacyjnej obejmują transestryfikację, transaminację winylowych uretanów i transaminację diketoneamin. Witrymery posiadające morfologię nanoskali są badane, poprzez zastosowanie witrymerów kopolimeru blokowego w porównaniu do statystycznych analogów kopolimeru, aby zrozumieć wpływ samodzielnego montażu na kursy wymiany, właściwości wiskoelastyczne i ponowną przetwarzalność. Poza recyklingiem, materiały witrimerowe są obiecujące w zastosowaniach w medycynie, na przykład w samouzdrawialnej bioepoksydzie i zastosowaniach w samouzdrawiających się ekranach elektronicznych. Podczas gdy te systemy polimerowe są jeszcze w powijakach, służą do produkcji materiałów przydatnych do handlu, nadających się do recyklingu w nadchodzącej przyszłości, o ile więcej prac zostanie wykonanych w celu dostosowania tych systemów chemicznych do monomerów i polimerów istotnych z handlowego punktu widzenia, a także rozwijają lepsze testy mechaniczne i zrozumienie właściwości materiału przez cały okres eksploatacji tych materiałów (tj. cykle po ponownym przetworzeniu).
kopolimery z siłą van der Waalsa
Jeśli perturbacja sił van der Waalsa przy uszkodzeniach mechanicznych jest energetycznie niekorzystna, interdigitowane naprzemienne lub przypadkowe motywy kopolimerów będą się samouzdrawiać do bardziej korzystnego energetycznie stanu bez interwencji zewnętrznej. To samouzdrawiające zachowanie występuje w stosunkowo wąskim zakresie kompozycyjnym zależnym od lepkosprężystej reakcji, która energetycznie sprzyja samouzdrawianiu się po rozłączeniu łańcucha, dzięki powiązaniom sąsiednich łańcuchów „klucz i Zamek”. Zasadniczo siły van der Waalsa stabilizują sąsiednie kopolimery, co znajduje odzwierciedlenie w zwiększonych wartościach gęstości energii spoistej (CED). Miejskie itp. ilustruje, w jaki sposób indukowane interakcje dipolowe dla naprzemiennych lub losowych kopolimerów Poli(metakrylan metylu-alt-ran-n-butylu) (p(MMA-alt-ran-nBA)) ze względu na kierunkowe siły van der Waalsa mogą zwiększać CED w równowadze (CEDeq) splątanych i side-by-side łańcuchów kopolimeru.
systemy oparte na polimerach Zewnętrznychedytuj
w systemach zewnętrznych chemikalia lecznicze są oddzielane od otaczającego polimeru w mikrokapsułkach lub sieciach naczyniowych, które po uszkodzeniu/pęknięciu materiału uwalniają swoją zawartość do płaszczyzny pęknięcia, reagując i umożliwiając przywrócenie funkcjonalności materiału.Systemy te można podzielić na kilka kategorii. Podczas gdy polimery na bazie kapsułek sekwestrują środki lecznicze w małych kapsułkach, które uwalniają środki tylko wtedy, gdy są pęknięte, materiały do samoleczenia naczyniowego sekwestrują środek leczniczy w pustych kanałach typu kapilarnego, które mogą być połączone jeden wymiar, dwa wymiary lub trzy wymiary. Po uszkodzeniu jednego z tych naczyń włosowatych sieć może zostać uzupełniona przez zewnętrzne źródło lub inny kanał, który nie został uszkodzony. Wewnętrzne materiały samouzdrawiające nie mają wyodrębnionego środka leczniczego, ale zamiast tego mają ukrytą samouzdrawiającą się funkcjonalność, która jest wyzwalana przez uszkodzenie lub bodziec zewnętrzny. Zewnętrzne Materiały samouzdrawiające mogą osiągnąć skuteczność leczenia ponad 100%, nawet gdy obrażenia są duże.
uzdrawianie Mikrokapsułekedytuj
systemy oparte na kapsułkach mają wspólną cechę, że środki lecznicze są zamknięte w odpowiednich mikrostrukturach, które pękają przy tworzeniu pęknięć i prowadzą do dalszego procesu w celu przywrócenia właściwości materiałów. Jeśli ściany kapsułki są zbyt grube, mogą nie pękać, gdy zbliża się pęknięcie, ale jeśli są zbyt cienkie, mogą pęknąć prematurely.In aby proces ten przebiegał w temperaturze pokojowej, a reagenty pozostawały w stanie monomerycznym w kapsułce, katalizator jest również osadzany w termoutwardzalnej. Katalizator obniża barierę energetyczną reakcji i umożliwia polimeryzację monomeru bez dodawania ciepła. Kapsułki (często wykonane z wosku) wokół monomeru i katalizatora są ważne dla utrzymania separacji, dopóki pęknięcie nie ułatwi reaction.In układ kapsułka-katalizator, zamknięty środek gojący jest uwalniany do matrycy polimerowej i reaguje z katalizatorem, już obecnym w matrycy.Istnieje wiele wyzwań w projektowaniu tego rodzaju materiałów. Po pierwsze, reaktywność katalizatora musi być utrzymywana nawet po zamknięciu go w wosku. Dodatkowo, monomer musi płynąć z wystarczającą szybkością (mieć wystarczająco niską lepkość), aby pokryć całe pęknięcie, zanim zostanie spolimeryzowany, lub pełna zdolność gojenia nie zostanie osiągnięta. Wreszcie katalizator musi szybko rozpuścić się w monomerze, aby skutecznie zareagować i zapobiec dalszemu rozprzestrzenianiu się pęknięć.
Proces ten wykazano z użyciem dicyklopentadienu (DCPD) i katalizatora Grubbsa (benzylideno-bis(tricykloheksylofosfiny)dichlororutenu). Zarówno DCPD, jak i katalizator Grubbsa są osadzone w żywicy epoksydowej. Sam monomer jest stosunkowo niereaktywny i polimeryzacja Nie zachodzi. Gdy mikropęknięcie dociera zarówno do kapsułki zawierającej DCPD, jak i do katalizatora, monomer jest uwalniany z mikrokapsułki rdzeń–skorupa I wchodzi w kontakt z odsłoniętym katalizatorem, na którym monomer ulega polimeryzacji metatezy otwarcia pierścienia (ROMP). Reakcja metatezy monomeru polega na zerwaniu dwóch podwójnych wiązań na rzecz nowych wiązań. Obecność katalizatora pozwala na obniżenie bariery energetycznej (energii aktywacji), a reakcja polimeryzacji może przebiegać w temperaturze pokojowej. Otrzymany polimer pozwala kompozytowi epoksydowemu odzyskać 67% swojej dawnej wytrzymałości.
katalizator Grubbsa jest dobrym wyborem dla tego typu systemu, ponieważ jest niewrażliwy na powietrze i wodę, dzięki czemu jest wystarczająco wytrzymały, aby utrzymać reaktywność w materiale. Używanie aktywnego katalizatora jest ważne, aby promować wiele działań leczniczych. Główną wadą jest koszt. Wykazano, że użycie większej ilości katalizatora bezpośrednio przekłada się na wyższy stopień gojenia. Ruten jest dość kosztowny, co czyni go niepraktycznym w zastosowaniach komercyjnych.
Rysunek 1. Przedstawienie propagacji pęknięć przez materiał osadzony w mikrokapsułkach. Mikrokapsułki monomerowe są reprezentowane przez różowe koła, a katalizator jest pokazany przez fioletowe kropki.
natomiast w systemach wielokapsułkowych zarówno katalizator, jak i środek gojący są zamknięte w różnych kapsułkach. W trzecim systemie, zwanym funkcjonalnością utajoną, kapsułkowany jest środek leczniczy, który może reagować ze składnikiem polimeryzatora obecnym w matrycy w postaci resztkowych funkcji reaktywnych. W ostatnim podejściu (separacja faz), albo środek gojący lub polimeryzator jest oddzielany fazowo w materiale matrycy.
podejście Naczyniowedytuj
te same strategie mogą być stosowane w układach naczyniowych 1D, 2D i 3D.
Hollow tube approachEdit
w pierwszej metodzie delikatne szklane kapilary lub włókna są osadzone w materiale kompozytowym. (Uwaga: jest to już powszechnie stosowana praktyka w zakresie wzmacniania materiałów. Zobacz Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem.) Powstała porowata sieć jest wypełniona monomerem. Gdy dochodzi do uszkodzenia materiału w wyniku regularnego użytkowania, rury również pękają, a monomer jest uwalniany do pęknięć. Inne probówki zawierające środek utwardzający również pękają i mieszają się z monomerem, powodując wygojenie pęknięcia. Jest wiele rzeczy, które należy wziąć pod uwagę przy wprowadzaniu pustych rur w strukturę krystaliczną. Po pierwsze, należy wziąć pod uwagę, że utworzone kanały mogą zagrozić nośności materiału ze względu na usunięcie materiału nośnego. Ponadto średnica kanału, stopień rozgałęzienia, lokalizacja punktów rozgałęzień i orientacja kanału to niektóre z głównych rzeczy, które należy wziąć pod uwagę podczas budowania mikrokanałów w materiale. Materiały, które nie muszą wytrzymywać dużego obciążenia mechanicznego, ale chcą mieć właściwości samonaprawiające, mogą wprowadzić więcej mikrokanałów niż materiały, które mają być nośne. Istnieją dwa rodzaje pustych rur: kanały dyskretne i kanały połączone.
kanały Dyskretneedytuj
kanały dyskretne mogą być zbudowane niezależnie od budowy materiału i są umieszczone w tablicy w całym materiale. Tworząc te mikrokanały, jednym z głównych czynników, które należy wziąć pod uwagę, jest to, że im bliżej są razem rury, tym niższa będzie wytrzymałość, ale bardziej wydajny będzie odzysk. Struktura warstwowa jest rodzajem dyskretnych kanałów, które składają się z rur w środku materiału i leczy Na Zewnątrz od środka. Sztywność konstrukcji warstwowych jest wysoka, co czyni ją atrakcyjną opcją dla komór ciśnieniowych. W większości struktur warstwowych wytrzymałość materiału jest utrzymywana w porównaniu do sieci naczyniowych. Ponadto materiał wykazuje prawie pełne wyleczenie z uszkodzeń.
sieci wzajemnie Połączoneedit
Sieci wzajemnie połączone są wydajniejsze niż kanały dyskretne, ale są trudniejsze i droższe w tworzeniu. Najbardziej podstawowym sposobem tworzenia tych kanałów jest zastosowanie podstawowych zasad obróbki do tworzenia rowków kanałów w skali mikro. Techniki te dają kanały od 600-700 mikrometrów. Technika ta świetnie sprawdza się na płaszczyźnie dwuwymiarowej, ale przy próbie stworzenia trójwymiarowej sieci są one ograniczone.
Direct ink writingEdit
Technika Direct Ink Writing (DIW) to kontrolowane wytłaczanie atramentów wiskoelastycznych w celu tworzenia trójwymiarowych połączonych sieci. Działa poprzez ustawienie tuszu organicznego w zdefiniowany wzór. Następnie struktura jest infiltrowana materiałem podobnym do żywicy epoksydowej. Ta żywica epoksydowa jest następnie zestalana, a atrament można wyssać za pomocą skromnej próżni, tworząc puste rurki.
sieci nanorurek Węglowychedytuj
poprzez rozpuszczenie liniowego polimeru wewnątrz stałej trójwymiarowej matrycy epoksydowej, tak że są one mieszalne ze sobą, liniowy polimer staje się mobilny w określonej temperaturze, gdy nanorurki węglowe są również włączone do materiału epoksydowego, a prąd stały jest przepuszczany przez rury, znaczące przesunięcie krzywej wykrywania wskazuje na trwałe uszkodzenie polimeru, a tym samym „wyczuwanie” pęknięcia. Gdy nanorurki węglowe wyczuwają pęknięcie w strukturze, mogą być używane jako transport termiczny do podgrzania matrycy, aby polimery liniowe mogły się rozproszyć, aby wypełnić pęknięcia w matrycy epoksydowej. W ten sposób uzdrawia materiał.
SLIPSEdit
inne podejście zaproponował Prof. J. Aizenberg z Uniwersytetu Harvarda, który zaproponował użycie śliskich, porowatych powierzchni (poślizgów), porowatego materiału inspirowanego mięsożerną rośliną dzban i wypełnionego płynem smarującym, nie mieszającym się z wodą i olejem. Poślizgi posiadają właściwości samouzdrawiające i samosmarujące, a także icefobiczność i były z powodzeniem wykorzystywane do wielu celów.
ofiarne szwy gwintoweedit
nici organiczne (takie jak na przykład włókno polilaktydowe) są szyte przez laminowane warstwy polimeru wzmocnionego włóknem, które są następnie gotowane i odkurzane z materiału po utwardzeniu polimeru, pozostawiając puste kanały, które mogą być wypełnione środkami gojącymi.
Schemat 2. Heterolityczne rozszczepienie glikolu polietylenowego.
polimery również zostały zaobserwowane w wyniku heterolitycznego rozszczepiania wiązań poprzez eksperymenty z etykietowaniem izotopów. Gdy wiązanie jest rozszczepiane heterolitycznie, powstają gatunki kationowe i anionowe, które z kolei mogą rekombinować w celu naprawy uszkodzeń, mogą być hartowane przez rozpuszczalnik lub mogą reagować destrukcyjnie z pobliskimi polimerami.
odwracalne odcięcie wiązania
niektóre polimery ulegają naprężeniom mechanicznym w nietypowy, odwracalny sposób. Polimery na bazie Dielsa-olchy podlegają odwracalnej cykloaddycji, w której naprężenia mechaniczne rozszczepiają dwa wiązania sigma w reakcji retro Dielsa-olchy. Stres ten skutkuje dodatkowymi elektronami związanymi pi w przeciwieństwie do ugrupowań rodnikowych lub naładowanych.
supramolecular breakdownEdit
polimery Supramolecular składają się z monomerów, które oddziałują nie kowalencyjnie. Wspólne interakcje obejmują wiązania wodorowe, koordynację metalu i siły van der Waalsa. Naprężenia mechaniczne w polimerach supramolekularnych powodują zakłócenia tych specyficznych, nie kowalencyjnych oddziaływań, prowadząc do rozdzielania monomerów i rozpadu polimerów.
wewnętrzne systemy polimeroweedit
w systemach wewnętrznych materiał jest w stanie przywrócić swoją integralność. Podczas gdy podejścia zewnętrzne są na ogół autonomiczne, wewnętrzne systemy często wymagają zewnętrznego wyzwalacza dla uzdrowienia mieć miejsce (takie jak termo-mechaniczne, elektryczne, foto-bodźce, itp.). Można wyróżnić 5 głównych wewnętrznych strategii samoleczenia. Pierwszy z nich opiera się na reakcjach odwracalnych, a najczęściej stosowany schemat reakcji opiera się na reakcjach Dielsa-olchy (DA) i retro-Dielsa-olchy (rDA). Inną strategią jest osiągnięcie samonaprawiania w matrycach termoutwardzalnych poprzez włączenie topliwych dodatków termoplastycznych. WYZWALACZ temperatury umożliwia ponowne rozdzielenie dodatków termoplastycznych w pęknięcia, powodując mechaniczne blokowanie. Związki polimerowe oparte na dynamicznych wiązaniach supramolekularnych lub jonomerach stanowią trzeci i czwarty schemat. Zaangażowane interakcje supramolekularne i klastry jonomeryczne są na ogół odwracalne i działają jako odwracalne połączenia sieciowe, dzięki czemu mogą wyposażyć polimery w zdolność samoleczenia. Wreszcie, alternatywna metoda osiągnięcia samouzdrawiania wewnętrznego opiera się na dyfuzji molekularnej.
polimery oparte na wiązaniach Odwracalnychedytuj
Systemy odwracalne są układami polimerowymi, które mogą powrócić do stanu początkowego, niezależnie od tego, czy są monomeryczne, oligomeryczne, czy nie są usieciowane. Ponieważ polimer jest stabilny w normalnych warunkach, proces odwracalny zwykle wymaga zewnętrznego bodźca do jego wystąpienia. W przypadku odwracalnego polimeru gojącego, jeśli materiał zostanie uszkodzony za pomocą takich środków, jak ogrzewanie i powróci do swoich składników, można go naprawić lub „wyleczyć” do postaci polimeru poprzez zastosowanie pierwotnego stanu użytego do polimeryzacji.
Systemy polimerowe oparte na tworzeniu i łamaniu wiązań kowalencyjnych edytuj
Diels-olcha i retro-Diels-Alderedytuj
wśród przykładów odwracalnych polimerów leczniczych, reakcja Diels-Olcha (DA) i jej analog retro-Diels-Olcha (RDA) wydają się bardzo obiecujące ze względu na swoją odwracalność termiczną. Ogólnie rzecz biorąc, monomer zawierający grupy funkcyjne, takie jak furan lub maleimid, tworzy dwa wiązania węgiel-węgiel w specyficzny sposób i konstruuje polimer poprzez reakcję DA. Ten polimer, po podgrzaniu, rozkłada się do pierwotnych jednostek monomerycznych poprzez reakcję RDA, a następnie reformuje polimer po ochłodzeniu lub w innych warunkach, które początkowo były używane do wytwarzania polimeru. W ciągu ostatnich kilku dekad, dwa rodzaje odwracalnych polimerów zostały zbadane: (i) polimery, gdzie grupy wisiorek, takich jak grupy Furan lub maleimid, sieciowania poprzez kolejne reakcje sprzęgania DA; II) polimery, w których wielofunkcyjne monomery łączą się ze sobą poprzez kolejne reakcje sprzęgania DA.
polimery Usieciowaneedytuj
w tego typu polimerach tworzy się polimer poprzez usieciowanie grup wisiorków z termoplastów liniowych. Na przykład Saegusa et al. wykazały odwracalne sieciowanie zmodyfikowanych Poli (N-acetyloetylenoiminy)zawierających maleimid lub furankarbonyl. Reakcję przedstawiono na schemacie 3. Zmieszali dwa komplementarne polimery, aby uzyskać wysoce usieciowany materiał poprzez reakcję DA jednostek furanu i maleimidu w temperaturze pokojowej, ponieważ usieciowany polimer jest bardziej stabilny termodynamicznie niż poszczególne materiały wyjściowe. Jednak po podgrzaniu polimeru do temperatury 80 °C przez dwie godziny w polarnym rozpuszczalniku, dwa monomery regenerowano w reakcji RDA, co wskazuje na rozpad polimerów. Było to możliwe, ponieważ energia grzewcza zapewniała wystarczającą ilość energii, aby przejść przez barierę energetyczną i skutkować dwoma monomerami. Chłodzenie dwóch monomerów wyjściowych lub uszkodzonego polimeru do temperatury pokojowej przez 7 dni wyleczyło i zreformowało polimer.
Schemat 3. Odwracalne sieciowanie polimerów poprzez reakcję cykloaddycji Dielsa-Aldera pomiędzy furanem i maleimidem.
odwracalna reakcja DA / RDA nie ogranicza się do polimerów opartych na furanie-meleimidach, jak pokazuje praca Schiraldiego i wsp. Wykazali oni odwracalne sieciowanie polimerów posiadających pendentną grupę antracenową z maleimidami. Jednak odwracalna reakcja wystąpiła tylko częściowo po podgrzaniu do 250 °C z powodu konkurencyjnej reakcji rozkładu.
polimeryzacja monomerów wielofunkcyjnychedytuj
w tych układach reakcja DA zachodzi w samym kręgosłupie, aby skonstruować polimer, a nie jako łącznik. W przypadku polimeryzacji i procesów gojenia polimeru na bazie Furano-maleimidu DA-step-Growth (3m4f) wykazano poddanie go cyklom ogrzewania/chłodzenia. Tris-maleimid (3M) i tetra-furan (4F) tworzą polimer w reakcji DA i po podgrzaniu do 120 °C de-polimeryzują w reakcji RDA, w wyniku czego powstają materiały wyjściowe. Następnie ogrzewanie do 90-120 °C i chłodzenie do temperatury pokojowej wyleczyły polimer, częściowo przywracając jego właściwości mechaniczne poprzez interwencję. Reakcję przedstawiono na schemacie 4.
Odwracalna, silnie usieciowana sieć polimerowa na bazie furanu-maleimidu.
polimery na bazie Tioluedytuj
polimery na bazie tiolu mają wiązania dwusiarczkowe, które mogą być odwracalnie usieciowane poprzez utlenianie i redukcję. W Warunkach redukcji Mostki disiarczkowe (SS) w polimerze pękają i powodują powstawanie monomerów, jednak w Warunkach utleniania tiole (SH) każdego monomeru tworzą wiązanie disiarczkowe, sieciując materiały wyjściowe do utworzenia polimeru. Chujo et al. wykazali odwracalny, usieciowany polimer na bazie tiolu przy użyciu Poli (N-acetyloetylenoiminy). (Schemat 5)
schemat 5. Odwracalne sieciowanie polimerów mostkami dwusiarczkowymi.
Poli(mocznik-uretan)Edycja
miękka sieć Poli(mocznik-uretan) wykorzystuje reakcję metatezy w dwusiarczkach aromatycznych, aby zapewnić właściwości samoleczenia w temperaturze pokojowej, bez potrzeby stosowania zewnętrznych katalizatorów. Ta reakcja chemiczna jest naturalnie zdolna do tworzenia wiązań kowalencyjnych w temperaturze pokojowej, co pozwala polimerowi samodzielnie leczyć się bez zewnętrznego źródła energii. Pozostawiony do odpoczynku w temperaturze pokojowej, materiał naprawił się z wydajnością 80 procent po zaledwie dwóch godzinach i 97 procent po 24 hours.In 2014 wykazano, że materiał na bazie elastomeru polimocznikowego jest samouzdrawiający się, łącząc się ze sobą po przecięciu na pół, bez dodatku katalizatorów lub innych chemikaliów. Materiał zawiera również niedrogie dostępne na rynku związki. Cząsteczki elastomeru zostały zmodyfikowane, dzięki czemu wiązania między nimi były dłuższe. Powstałe cząsteczki są łatwiejsze do oderwania od siebie i lepiej zdolne do rebond w temperaturze pokojowej z prawie taką samą siłą. Rebonding może być powtórzony. Rozciągliwe, samouzdrawiające się farby i inne powłoki niedawno zbliżyły się do powszechnego użytku, dzięki badaniom prowadzonym na Uniwersytecie Illinois. Naukowcy wykorzystali tam „gotowe” komponenty do stworzenia polimeru, który łączy się z powrotem po przecięciu na pół, bez dodatku katalizatorów lub innych chemikaliów.
polimery mocznikowo-uretanowe mają jednak szkliste temperatury przejścia poniżej 273 K, dlatego w temperaturze pokojowej są żelami, a ich wytrzymałość na rozciąganie jest niska. Aby zoptymalizować wytrzymałość na rozciąganie, należy zwiększyć odwracalną energię wiązania lub długość polimeru, aby odpowiednio zwiększyć stopień kowalencyjnego lub mechanicznego blokowania. Jednak zwiększenie długości polimeru hamuje mobilność, a tym samym upośledza zdolność polimerów do ponownego odwracalnego wiązania. Tak więc na każdej długości polimeru istnieje optymalna odwracalna energia wiązania.
Witrymeryedytuj
Witrymery są podzbiorem polimerów, które wypełniają lukę między termoplastami i termoutwardzalnymi. Ich zależność od dysocjacyjnej i asocjacyjnej wymiany w dynamicznych kowalencyjnych sieciach adaptacyjnych pozwala na dostęp do różnych układów chemicznych, które pozwalają na syntezę mechanicznie wytrzymałych materiałów z możliwością wielokrotnego przetwarzania przy zachowaniu ich właściwości strukturalnych i wytrzymałości mechanicznej. Samoregeneracyjny aspekt tych materiałów wynika z wymiany wiązań usieciowanych gatunków jako odpowiedzi na zastosowane bodźce zewnętrzne, takie jak ciepło. Wymiana dysocjacyjna jest procesem, w którym sieciowane połączenia są łamane przed rekombinacją gatunków sieciujących, w ten sposób odzyskując gęstość sieciowania po wymianie. Przykłady wymiany dysocjacyjnej obejmują odwracalne reakcje perycykliczne, transalkilację nukleofilową i transaminację aminową. Wymiana asocjacyjna obejmuje reakcję substytucji z istniejącym łączem sieciowym i zachowanie połączeń sieciowych w całej wymianie. Przykłady wymiany asocjacyjnej obejmują transestryfikację, transaminację winylowych uretanów i transaminację diketoneamin. Witrymery posiadające morfologię nanoskali są badane, poprzez zastosowanie witrymerów kopolimeru blokowego w porównaniu do statystycznych analogów kopolimeru, aby zrozumieć wpływ samodzielnego montażu na kursy wymiany, właściwości wiskoelastyczne i ponowną przetwarzalność. Poza recyklingiem, materiały witrimerowe są obiecujące w zastosowaniach w medycynie, na przykład w samouzdrawialnej bioepoksydzie i zastosowaniach w samouzdrawiających się ekranach elektronicznych. Podczas gdy te systemy polimerowe są jeszcze w powijakach, służą do produkcji materiałów przydatnych do handlu, nadających się do recyklingu w nadchodzącej przyszłości, o ile więcej prac zostanie wykonanych w celu dostosowania tych systemów chemicznych do monomerów i polimerów istotnych z handlowego punktu widzenia, a także rozwijają lepsze testy mechaniczne i zrozumienie właściwości materiału przez cały okres eksploatacji tych materiałów (tj. cykle po ponownym przetworzeniu).
kopolimery z siłą van der Waalsa
Jeśli perturbacja sił van der Waalsa przy uszkodzeniach mechanicznych jest energetycznie niekorzystna, interdigitowane naprzemienne lub przypadkowe motywy kopolimerów będą się samouzdrawiać do bardziej korzystnego energetycznie stanu bez interwencji zewnętrznej. To samouzdrawiające zachowanie występuje w stosunkowo wąskim zakresie kompozycyjnym zależnym od lepkosprężystej reakcji, która energetycznie sprzyja samouzdrawianiu się po rozłączeniu łańcucha, dzięki powiązaniom sąsiednich łańcuchów „klucz i Zamek”. Zasadniczo siły van der Waalsa stabilizują sąsiednie kopolimery, co znajduje odzwierciedlenie w zwiększonych wartościach gęstości energii spoistej (CED). Miejskie itp. ilustruje, w jaki sposób indukowane interakcje dipolowe dla naprzemiennych lub losowych kopolimerów Poli(metakrylan metylu-alt-ran-n-butylu) (p(MMA-alt-ran-nBA)) ze względu na kierunkowe siły van der Waalsa mogą zwiększać CED w równowadze (CEDeq) splątanych i side-by-side łańcuchów kopolimeru.
systemy oparte na polimerach Zewnętrznychedytuj
w systemach zewnętrznych chemikalia lecznicze są oddzielane od otaczającego polimeru w mikrokapsułkach lub sieciach naczyniowych, które po uszkodzeniu/pęknięciu materiału uwalniają swoją zawartość do płaszczyzny pęknięcia, reagując i umożliwiając przywrócenie funkcjonalności materiału.Systemy te można podzielić na kilka kategorii. Podczas gdy polimery na bazie kapsułek sekwestrują środki lecznicze w małych kapsułkach, które uwalniają środki tylko wtedy, gdy są pęknięte, materiały do samoleczenia naczyniowego sekwestrują środek leczniczy w pustych kanałach typu kapilarnego, które mogą być połączone jeden wymiar, dwa wymiary lub trzy wymiary. Po uszkodzeniu jednego z tych naczyń włosowatych sieć może zostać uzupełniona przez zewnętrzne źródło lub inny kanał, który nie został uszkodzony. Wewnętrzne materiały samouzdrawiające nie mają wyodrębnionego środka leczniczego, ale zamiast tego mają ukrytą samouzdrawiającą się funkcjonalność, która jest wyzwalana przez uszkodzenie lub bodziec zewnętrzny. Zewnętrzne Materiały samouzdrawiające mogą osiągnąć skuteczność leczenia ponad 100%, nawet gdy obrażenia są duże.
uzdrawianie Mikrokapsułekedytuj
systemy oparte na kapsułkach mają wspólną cechę, że środki lecznicze są zamknięte w odpowiednich mikrostrukturach, które pękają przy tworzeniu pęknięć i prowadzą do dalszego procesu w celu przywrócenia właściwości materiałów. Jeśli ściany kapsułki są zbyt grube, mogą nie pękać, gdy zbliża się pęknięcie, ale jeśli są zbyt cienkie, mogą pęknąć prematurely.In aby proces ten przebiegał w temperaturze pokojowej, a reagenty pozostawały w stanie monomerycznym w kapsułce, katalizator jest również osadzany w termoutwardzalnej. Katalizator obniża barierę energetyczną reakcji i umożliwia polimeryzację monomeru bez dodawania ciepła. Kapsułki (często wykonane z wosku) wokół monomeru i katalizatora są ważne dla utrzymania separacji, dopóki pęknięcie nie ułatwi reaction.In układ kapsułka-katalizator, zamknięty środek gojący jest uwalniany do matrycy polimerowej i reaguje z katalizatorem, już obecnym w matrycy.Istnieje wiele wyzwań w projektowaniu tego rodzaju materiałów. Po pierwsze, reaktywność katalizatora musi być utrzymywana nawet po zamknięciu go w wosku. Dodatkowo, monomer musi płynąć z wystarczającą szybkością (mieć wystarczająco niską lepkość), aby pokryć całe pęknięcie, zanim zostanie spolimeryzowany, lub pełna zdolność gojenia nie zostanie osiągnięta. Wreszcie katalizator musi szybko rozpuścić się w monomerze, aby skutecznie zareagować i zapobiec dalszemu rozprzestrzenianiu się pęknięć.
Proces ten wykazano z użyciem dicyklopentadienu (DCPD) i katalizatora Grubbsa (benzylideno-bis(tricykloheksylofosfiny)dichlororutenu). Zarówno DCPD, jak i katalizator Grubbsa są osadzone w żywicy epoksydowej. Sam monomer jest stosunkowo niereaktywny i polimeryzacja Nie zachodzi. Gdy mikropęknięcie dociera zarówno do kapsułki zawierającej DCPD, jak i do katalizatora, monomer jest uwalniany z mikrokapsułki rdzeń–skorupa I wchodzi w kontakt z odsłoniętym katalizatorem, na którym monomer ulega polimeryzacji metatezy otwarcia pierścienia (ROMP). Reakcja metatezy monomeru polega na zerwaniu dwóch podwójnych wiązań na rzecz nowych wiązań. Obecność katalizatora pozwala na obniżenie bariery energetycznej (energii aktywacji), a reakcja polimeryzacji może przebiegać w temperaturze pokojowej. Otrzymany polimer pozwala kompozytowi epoksydowemu odzyskać 67% swojej dawnej wytrzymałości.
katalizator Grubbsa jest dobrym wyborem dla tego typu systemu, ponieważ jest niewrażliwy na powietrze i wodę, dzięki czemu jest wystarczająco wytrzymały, aby utrzymać reaktywność w materiale. Używanie aktywnego katalizatora jest ważne, aby promować wiele działań leczniczych. Główną wadą jest koszt. Wykazano, że użycie większej ilości katalizatora bezpośrednio przekłada się na wyższy stopień gojenia. Ruten jest dość kosztowny, co czyni go niepraktycznym w zastosowaniach komercyjnych.
Rysunek 1. Przedstawienie propagacji pęknięć przez materiał osadzony w mikrokapsułkach. Mikrokapsułki monomerowe są reprezentowane przez różowe koła, a katalizator jest pokazany przez fioletowe kropki.
natomiast w systemach wielokapsułkowych zarówno katalizator, jak i środek gojący są zamknięte w różnych kapsułkach. W trzecim systemie, zwanym funkcjonalnością utajoną, kapsułkowany jest środek leczniczy, który może reagować ze składnikiem polimeryzatora obecnym w matrycy w postaci resztkowych funkcji reaktywnych. W ostatnim podejściu (separacja faz), albo środek gojący lub polimeryzator jest oddzielany fazowo w materiale matrycy.
podejście Naczyniowedytuj
te same strategie mogą być stosowane w układach naczyniowych 1D, 2D i 3D.
Hollow tube approachEdit
w pierwszej metodzie delikatne szklane kapilary lub włókna są osadzone w materiale kompozytowym. (Uwaga: jest to już powszechnie stosowana praktyka w zakresie wzmacniania materiałów. Zobacz Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem.) Powstała porowata sieć jest wypełniona monomerem. Gdy dochodzi do uszkodzenia materiału w wyniku regularnego użytkowania, rury również pękają, a monomer jest uwalniany do pęknięć. Inne probówki zawierające środek utwardzający również pękają i mieszają się z monomerem, powodując wygojenie pęknięcia. Jest wiele rzeczy, które należy wziąć pod uwagę przy wprowadzaniu pustych rur w strukturę krystaliczną. Po pierwsze, należy wziąć pod uwagę, że utworzone kanały mogą zagrozić nośności materiału ze względu na usunięcie materiału nośnego. Ponadto średnica kanału, stopień rozgałęzienia, lokalizacja punktów rozgałęzień i orientacja kanału to niektóre z głównych rzeczy, które należy wziąć pod uwagę podczas budowania mikrokanałów w materiale. Materiały, które nie muszą wytrzymywać dużego obciążenia mechanicznego, ale chcą mieć właściwości samonaprawiające, mogą wprowadzić więcej mikrokanałów niż materiały, które mają być nośne. Istnieją dwa rodzaje pustych rur: kanały dyskretne i kanały połączone.
kanały Dyskretneedytuj
kanały dyskretne mogą być zbudowane niezależnie od budowy materiału i są umieszczone w tablicy w całym materiale. Tworząc te mikrokanały, jednym z głównych czynników, które należy wziąć pod uwagę, jest to, że im bliżej są razem rury, tym niższa będzie wytrzymałość, ale bardziej wydajny będzie odzysk. Struktura warstwowa jest rodzajem dyskretnych kanałów, które składają się z rur w środku materiału i leczy Na Zewnątrz od środka. Sztywność konstrukcji warstwowych jest wysoka, co czyni ją atrakcyjną opcją dla komór ciśnieniowych. W większości struktur warstwowych wytrzymałość materiału jest utrzymywana w porównaniu do sieci naczyniowych. Ponadto materiał wykazuje prawie pełne wyleczenie z uszkodzeń.
sieci wzajemnie Połączoneedit
Sieci wzajemnie połączone są wydajniejsze niż kanały dyskretne, ale są trudniejsze i droższe w tworzeniu. Najbardziej podstawowym sposobem tworzenia tych kanałów jest zastosowanie podstawowych zasad obróbki do tworzenia rowków kanałów w skali mikro. Techniki te dają kanały od 600-700 mikrometrów. Technika ta świetnie sprawdza się na płaszczyźnie dwuwymiarowej, ale przy próbie stworzenia trójwymiarowej sieci są one ograniczone.
Direct ink writingEdit
Technika Direct Ink Writing (DIW) to kontrolowane wytłaczanie atramentów wiskoelastycznych w celu tworzenia trójwymiarowych połączonych sieci. Działa poprzez ustawienie tuszu organicznego w zdefiniowany wzór. Następnie struktura jest infiltrowana materiałem podobnym do żywicy epoksydowej. Ta żywica epoksydowa jest następnie zestalana, a atrament można wyssać za pomocą skromnej próżni, tworząc puste rurki.
sieci nanorurek Węglowychedytuj
poprzez rozpuszczenie liniowego polimeru wewnątrz stałej trójwymiarowej matrycy epoksydowej, tak że są one mieszalne ze sobą, liniowy polimer staje się mobilny w określonej temperaturze, gdy nanorurki węglowe są również włączone do materiału epoksydowego, a prąd stały jest przepuszczany przez rury, znaczące przesunięcie krzywej wykrywania wskazuje na trwałe uszkodzenie polimeru, a tym samym „wyczuwanie” pęknięcia. Gdy nanorurki węglowe wyczuwają pęknięcie w strukturze, mogą być używane jako transport termiczny do podgrzania matrycy, aby polimery liniowe mogły się rozproszyć, aby wypełnić pęknięcia w matrycy epoksydowej. W ten sposób uzdrawia materiał.
SLIPSEdit
inne podejście zaproponował Prof. J. Aizenberg z Uniwersytetu Harvarda, który zaproponował użycie śliskich, porowatych powierzchni (poślizgów), porowatego materiału inspirowanego mięsożerną rośliną dzban i wypełnionego płynem smarującym, nie mieszającym się z wodą i olejem. Poślizgi posiadają właściwości samouzdrawiające i samosmarujące, a także icefobiczność i były z powodzeniem wykorzystywane do wielu celów.
ofiarne szwy gwintoweedit
nici organiczne (takie jak na przykład włókno polilaktydowe) są szyte przez laminowane warstwy polimeru wzmocnionego włóknem, które są następnie gotowane i odkurzane z materiału po utwardzeniu polimeru, pozostawiając puste kanały, które mogą być wypełnione środkami gojącymi.