技术领域
[0001] 本
发明属于微胶囊自修复材料制备技术领域，具体涉及一种双壳层
环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法。
背景技术
[0002]
混凝土材料是我国
基础设施建设中主要的结构材料，但因混凝土材料脆性较大，在长期服役过程中会产生微观裂缝，如果不进行及时修复，便可发展为宏观可见裂缝，影响混凝土材料的结构耐久性。环氧树脂是一类具有良好修复性能的
聚合物材料，通过对其微胶囊化，并将其预埋入
水泥混凝土材料中，当
水泥混凝土材料内部出现裂缝，微胶囊材料会在裂缝产生的应
力作用下发生开裂，使修复剂流出，达到对水泥混凝土材料微观裂缝的修复。
[0003] 目前，通过原位聚合法，利用脲
醛树脂或三聚氰胺-甲醛树脂为壁材对环氧树脂进行包覆，可形成具有优良包覆性能的以环氧树脂为芯材的
核壳结构微胶囊自修复材料。由于脲醛树脂或三聚氰胺-甲醛树脂聚合物壁材耐酸
碱性能较差，使其在水泥混凝土碱性环境中长期存在的
稳定性不佳，且有机壁材和水泥基材料存在相容性不良的问题，为其在水泥基材料中长期存在的稳定性带来不利影响。SiO2微胶囊壁材具有良好的
生物相容性，优良的耐酸碱性能和化学稳定性，且和水泥基材料具有良好的相容性，是有机微胶囊壁材的良好替代材料。因此，利用无机壁材包覆技术，通过SiO2壁材对有机壁材微胶囊环氧树脂自修复材料进行二次包覆，可制得和水泥混凝土材料具有良好相容性的微胶囊自修复材料，使其更容易与水泥混凝土材料结合，更有利于发挥环氧树脂微胶囊自修复材料的修复性能。
[0004] 目前中国
专利CN104772086A公开了一种环氧树脂微胶囊及其制备方法；主要以环氧树脂为囊芯原料，以
吸附固化剂的无机粒子为囊壁原料，通过将囊芯及囊壁材料分散在水溶液中，在适当条件下，利用囊芯材料对无机粒子的吸附及固化剂引发囊芯表面发生聚合反应，形成以环氧树脂膜及无机粒子为囊壁组分的环氧微胶囊。该微胶囊的制备方法具有产量高、工艺简单、成本低、无
溶剂挥发等特点，所合成的微胶囊具有优异的耐热性能，在自修复材料领域具有潜在的价值。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种双层壳环氧树脂微胶囊自修复材料的制备方法，该方法通过原位聚合法，利用三聚氰胺-尿素-甲醛树脂对环氧树脂进行包覆构成核壳结构的环氧树脂微胶囊自修复材料材料，再通过溶胶-凝胶法，将正
硅酸四乙酯
水解、聚合生成的SiO2无机聚合物作为外层壁材，制备双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料，从而使得制备的环氧树脂微胶囊自修复材料具有更好的耐酸碱性，与无机水泥混凝土材料具有更好的相容性，更好的发挥微胶囊自修复材料在水泥基材料中的修复性能。
[0006] 针对上述存在的问题，本发明提出了一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法。本方法采用氧化
石墨烯作为环氧树脂乳化剂，氧化
石墨烯具有较大的
比表面积，结构中含有丰富的含氧亲水基团，其两亲性质使其可用作环氧树脂乳化剂，而传统的环氧树脂乳化剂(如十二烷基
硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、Span80、Tween80和
硬脂酸甘油酯等)，往往具有一定的毒性且难以降解，大量使用会造成较为严重的环境污染问题。因此，本发明利用氧化石墨烯作为环氧树脂乳化剂，在较少的掺量下可达到优良的分散效果，且不会造成环境污染问题。
[0007] 为了实现上述的目的，通过以下技术方案予以实现：
[0008] 一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法，制备过程包括单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料的制备和双壳层微胶囊自修复材料制备两个阶段，其中单壳层微胶囊自修复材料制备过程包括以下三个步骤：
[0009] (1)将氧化石墨烯乳化剂与环氧树脂及稀释剂混合，逐滴加入去离子水，在2000～4000r/min乳化剪切搅拌作用下，得到均匀稳定的环氧树脂乳液，通
过酸性调节剂调节乳液pH值为3-4；
[0010] (2)将三聚氰胺、脲素、甲醛与去离子水混合搅拌均匀，获得低分子量
水溶性预聚体溶液，得到水溶液预聚体溶液，通过碱性调节剂将
混合液的pH值调至9-10；
[0011] (3)将低分子量水溶性预聚体溶液，缓慢滴加到上述环氧树脂乳液中，搅拌1-2小时后，缓慢滴加酸性调节剂，将混合溶液的pH调至2-3，继续搅拌2h，得到微胶囊
相变材料悬浮液，将此悬浮液洗涤、过滤、干燥后，得到三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为壁材的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料。
[0012] 优选的，所用的氧化石墨烯为采用Hummers法制备的氧化石墨烯水分散液，GO含量为7.4g/L，
片层的厚度约为1.027nm，长度和宽度约为600nm。
[0013] 优选的，所述的环氧树脂乳液由以下重量份数的原料组成：100份环氧树脂、8～15份稀释剂、10-15份氧化石墨烯水溶液，150-300份去离子水，所述低分子量水溶性预聚体溶液由15-60份三聚氰胺、45-180份脲素、125-500份甲醛溶液组成。
[0014] 优选的，所述环氧树脂由环氧乙烯基酯树脂、缩水甘油基环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、多官能基缩水甘油醚树脂、
氨基环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、环氧化烯
烃、酚醛环氧乙烯基酯树脂中的一种或多种组成。
[0015] 优选的，所述稀释剂由丙
酮、甲乙酮、环己酮、苯、
甲苯、二甲苯、正丁醇、苯乙烯、丁基缩水甘油醚、乙二醇缩水甘油醚、二乙二醇缩水甘油醚中的一种或多种组成，掺入量为环氧树脂
质量的8～15％。
[0016] 一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法，在上述制备单壳层微胶囊自修复材料的基础上，制备双壳层微胶囊自修复材料，其制备过程包括以下两个步骤：
[0017] (1)称取一定量的正
硅酸四乙酯、去离子水和无水
乙醇，加入一定量的碱性调节剂调节pH值至10，充分搅拌使正硅酸四乙酯发生水解，将上述制备的微胶囊自修复材料与质量分数为2％十六烷基三甲基溴化胺水溶液按照质量比1:3混合均匀后，使微胶囊颗粒在水溶液中分散均匀；
[0018] (2)将上述正硅酸四乙酯水解液加入到上述微胶囊分散液中，充分搅拌24h后，将得到的固体粉末洗涤、过滤、干燥后得到以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内层壁材，无机聚合物SiO2为外层壁材的双壳层微胶囊自修复材料。
[0019] 优选的，所述碱性调节剂为
氨水溶液或硅烷
偶联剂中的任意一种。
[0020] 优选的，双壳层微胶囊自修复材料包括以下重量份数的原料组成：100份正硅酸四乙酯、50-200份去离子水、50-200份无水乙醇、10-20份碱性调节剂、30-100份单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料，100-300份十六烷基三甲基溴化胺水溶液。
[0021] 优选的，所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或多种。
[0022] 采用上述的技术方案，本发明的有益效果如下：
[0023] (1)本发明以氧化石墨烯作为乳化剂，氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其具有层状结构，具有优异的力学
和声、光、电学性能。经过氧化处理后，其上含有丰富的羟基、羧基、羰基和环氧基等含氧官能团，使其化学性质较石墨烯更加活泼，并呈现出亲水和疏水的两亲性能，在水中具有优越的分散性，可作为两亲性的
表面活性剂；
[0024] (2)本发明中以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂作为内层壁材，利用有机壁材对环氧树脂进行包覆，得到结构致密，包覆性能优良的环氧树脂微胶囊自修复材料；以SiO2作为外层壁材，解决了传统单一有机壁材微胶囊自修复材料与水泥基材料相容性差的问题，其次，外层SiO2无机聚合物壁材物具有良好的化学稳定性和
热稳定性，与基体介质(水泥、混凝土等)具有更好的相容性，使微胶囊自修复材料能够更好的复合于水泥基材料中。
附图说明
[0025] 图1-1为本发明
实施例1中制备的三聚氰胺-脲素-甲醛树脂单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料SEM照片，图1-2本发明实施例1中制备的以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂内壳层，无机SiO2聚合物为
外壳层的双壳层微胶囊自修复材料SEM照片；
[0026] 图2-1为本发明实施例2中制备的三聚氰胺-脲素-甲醛树脂单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料SEM照片，图2-2本发明实施例2中制备的以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内壳层，无机SiO2聚合物为外壳层的双壳层微胶囊自修复材料SEM照片；
[0027] 图3-1为本发明实施例3中制备的三聚氰胺-脲素-甲醛树脂单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料SEM照片，图3-2本发明实施例3中制备的以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内壳层，无机SiO2聚合物为外壳层的双壳层微胶囊自修复材料SEM照片；
[0028] 图4-1为本发明实施例4中制备的三聚氰胺-脲素-甲醛树脂单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料SEM照片，图4-2本发明实施例4中制备的三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内壳层，无机SiO2聚合物为外壳层的双壳层微胶囊自修复材料SEM照片；
[0029] 图5为本发明实例1中制备的以环氧树脂为芯材，三聚氰胺-脲素-甲醛树脂
单层壳、无机SiO2聚合物外壳层双壳层微胶囊自修复材料FTIR图谱。1469.1cm-1和1517.6cm-1处的特征峰是苯环上C─C伸缩振动峰，822.1cm-1和961.8cm-1处为环氧基的特殊振动峰，证明了环氧树脂的存在；460.3cm-1处出现的峰为Si─O─Si的弯曲振动峰，表明有SiO2的存在；2929.4～2963.2cm-1范围内的峰为C─H的对称伸缩振动峰，3429.4cm-1处很强的吸收峰是N─H和O─H的伸缩振动峰，由证明三聚氰胺-甲醛-脲醛树脂的存在。由此说明了环氧树脂被三聚氰胺-甲醛-脲醛树脂以及无机SiO2聚合物包覆良好，形成了具有双壳层结构的微胶囊自修复材料。
具体实施方式
[0030] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 实施例1：
[0032] 一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法，包括如下几个步骤：
[0033] (1)将30g双酚A型环氧树脂(E51)，4.5g丁基缩水甘油醚和15ml氧化石墨烯水分散液，在80℃水浴
温度下，以3000r/min乳化剪切搅拌30min，在此过程中滴入60ml去离子水，形成环氧树脂乳液，用10％质量浓度的
柠檬酸溶液调节乳液pH值为3-4；
[0034] (2)将4g三聚氰胺，8g尿素、27g甲醛溶液混合后，在70℃水浴温度下磁力搅拌，用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节混合溶液体系pH值9-10，加入30ml去离子水，搅拌1h得到粘稠透明尿素-甲醛预聚体，生成低分子量水溶性预聚体溶液；
[0035] (3)环氧树脂微胶囊自修复材料的制备，将乳液倒入三口烧瓶中，在70℃水浴温度下，将制得的预聚体溶液滴入三口烧瓶中，混合搅拌1h后，加入10％质量浓度的
盐酸溶液调节体系pH值为2-3，得到微胶囊
相变材料悬浮液，将此悬浮液洗涤、过滤、烘干后，得到三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为壁材的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料；
[0036] (4)将10g正硅酸四乙酯，40g去离子水，40ml无水乙醇混合，加入环氧基硅烷偶联剂KH560调节pH值至10-11，在35℃温度下磁力搅拌30min，使正硅酸四乙酯充分水解形成硅溶胶；将上述制备的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料40g和十六烷基三甲基溴化胺溶液120g混合搅拌30min形成微胶囊相变材料分散液，将上述制备的硅溶胶滴入此分散液中，充分搅拌24h，将得到的固体粉末洗涤、过滤、干燥后得到以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内层壁材，无机聚合物SiO2为外层壁材的双壳层微胶囊自修复材料。
[0037] 实施例2：
[0038] 一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法，包括如下几个步骤：
[0039] (1)将20g双酚A型环氧树脂环氧树脂((E44)，2.4g丁基缩水甘油醚和15ml氧化石墨烯水分散液，在85℃水浴温度下，以2000r/min乳化剪切搅拌30min，在此过程中滴入60ml去离子水，形成环氧树脂乳液，用10％质量浓度的盐酸调节乳液pH值为3-4；
[0040] (2)将3g三聚氰胺，9g尿素、27g甲醛溶液混合后，在70℃水浴温度下磁力搅拌，用10％的三乙醇胺溶液调节混合溶液体系pH值9-10，加入30ml去离子水，搅拌1h得到粘稠透明尿素-甲醛预聚体，生成低分子量水溶性预聚体溶液；
[0041] (3)环氧树脂微胶囊自修复材料的制备，将乳液倒入三口烧瓶中，在70℃水浴温度下，将制得的预聚体溶液滴入三口烧瓶中，混合搅拌1h后，加入10％质量浓度的
醋酸溶液调节体系pH值为2-3，得到微胶囊相变材料悬浮液，将此悬浮液洗涤、过滤、烘干后，得到三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为壁材的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料；
[0042] (4)将10g正硅酸四乙酯，20g去离子水，20g无水乙醇混合，加入氨水溶液调节pH值至10-11，在35℃温度下磁力搅拌30min，使正硅酸四乙酯充分水解形成硅溶胶；将上述制备的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料20g和十六烷基三甲基溴化胺溶液60g混合搅拌30min形成微胶囊相变材料分散液，将上述制备的硅溶胶滴入此分散液中，充分搅拌24h，将得到的固体粉末洗涤、过滤、干燥后得到以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内层壁材，无机聚合物SiO2为外层壁材的双壳层微胶囊自修复材料。
[0043] 实施例3：
[0044] 一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法，包括如下几个步骤：
[0045] (1)将10g双酚A型环氧树脂环氧树脂((E51)，1.5g丁基缩水甘油醚和15ml氧化石墨烯水分散液，在75℃水浴温度下，以4000r/min乳化剪切搅拌30min，在此过程中滴入60ml去离子水，形成环氧树脂乳液，用10％质量浓度的柠檬
酸溶液溶液调节乳液pH值为3-4；
[0046] (2)将2g三聚氰胺，10g尿素、27g甲醛溶液混合后，在70℃水浴温度下磁力搅拌，用10％的
碳酸钠溶液调节混合溶液体系pH值9-10，加入30ml去离子水，搅拌1h得到粘稠透明尿素-甲醛预聚体，生成低分子量水溶性预聚体溶液；
[0047] (3)环氧树脂微胶囊自修复材料的制备，将乳液倒入三口烧瓶中，在70℃水浴温度下，将制得的预聚体溶液滴入三口烧瓶中，混合搅拌1h后，加入10％质量浓度的盐酸溶液调节体系pH值为2-3，得到微胶囊相变材料悬浮液，将此悬浮液洗涤、过滤、烘干后，得到三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为壁材的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料；
[0048] (4)将10g正硅酸四乙酯，10g去离子水，10g无水乙醇混合，加入氨基官能团硅烷偶联剂KH550调节pH值至10-11，在35℃温度下磁力搅拌30min，使正硅酸四乙酯充分水解形成硅溶胶；将上述制备的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料10g和十六烷基三甲基溴化胺溶液30g混合搅拌30min形成微胶囊相变材料分散液，将上述制备的硅溶胶滴入此分散液中，充分搅拌24h，将得到的固体粉末洗涤、过滤、干燥后得到以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内层壁材，无机聚合物SiO2为外层壁材的双壳层微胶囊自修复材料。
[0049] 实施例4：
[0050] 一种双壳层环氧树脂微胶囊自修复材料及其制备方法，包括如下几个步骤：
[0051] (1)将5g双酚F型环氧树脂(NPEF-170)，0.5g丁基缩水甘油醚和15ml氧化石墨烯水分散液，在75℃水浴温度下，以3000r/min乳化剪切搅拌30min，在此过程中滴入60ml去离子水，形成环氧树脂乳液，用10％质量浓度的柠檬酸溶液调节乳液pH值为3-4；
[0052] (2)将4g三聚氰胺，8g尿素、27g甲醛溶液混合后，在70℃水浴温度下磁力搅拌，用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节混合溶液体系pH值9-10，加入30ml去离子水，搅拌1h得到粘稠透明尿素-甲醛预聚体，生成低分子量水溶性预聚体溶液；
[0053] (3)环氧树脂微胶囊自修复材料的制备，将乳液倒入三口烧瓶中，在70℃水浴温度下，将制得的预聚体溶液滴入三口烧瓶中，混合搅拌1h后，加入10％质量浓度的柠檬酸溶液调节体系pH值为2-3，得到微胶囊相变材料悬浮液，将此悬浮液洗涤、过滤、烘干后，得到三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为壁材的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料；
[0054] (4)将10g正硅酸四乙酯，10g去离子水，10g无水乙醇混合，加入乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂A171调节pH值至10-11，在35℃温度下磁力搅拌30min，使正硅酸四乙酯充分水解形成硅溶胶；将上述制备的单壳层环氧树脂微胶囊自修复材料2.5g和十六烷基三甲基溴化胺溶液7.5g混合搅拌30min形成微胶囊相变材料分散液，将上述制备的硅溶胶滴入此分散液中，充分搅拌24h，将得到的固体粉末洗涤、过滤、干燥后得到以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂为内层壁材，无机聚合物SiO2为外层壁材的双壳层微胶囊自修复材料。
[0055] 以上实施例仅用以说明本发明型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明型各实施例技术方案的精神和范围。
