《Polymer Engineering & Science》：Investigation of a Polyamide 6 (PA6) and Polybutylene Succinate (PBS) Blend as Candidate Matrix for Self-Healing Application
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本研究对聚酰胺6/聚丁二酸丁二醇酯（PA6/PBS）共混物（含20%至50%体积分数的PBS）进行了熔融共混和热压成型。研究人员分析了其流变性能、形态结构、热机械性能及断裂韧性。流变学分析表明，较低的PBS含量可提高PA6的储能模量和损耗模量，同时保持良好的加
本研究对聚酰胺6/聚丁二酸丁二醇酯（PA6/PBS）共混物（含20%至50%体积分数的PBS）进行了熔融共混和热压成型。研究人员分析了其流变性能、形态结构、热机械性能及断裂韧性。流变学分析表明，较低的PBS含量可提高PA6的储能模量和损耗模量，同时保持良好的加工性能。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察证实了PBS分散相在PA6基体中的形成。力学测试显示，拉伸模量和强度随PBS含量的增加而逐渐降低。然而，与纯PA6相比，含20%–30%体积分数PBS的共混物仍保持了适当的刚度和强度水平。特别地，含30%体积分数PBS的配方被选为自修复评估的候选组成。修复效率通过140°C热处理后断裂韧性的恢复程度进行量化。在冲击条件下，原始动态断裂韧性获得了40%的恢复，这归因于高应变速率下产生的光滑断裂表面，其可能促进熔融PBS在修复过程中沿裂纹界面的流动。因此，本研究所开发的选定共混物未来可考虑用于制备具有热修复功能的多功能复合材料层压板。
论文解读：PA6/PBS共混物作为自修复候选基体的研究
一、研究背景与问题
聚合物复合材料凭借其高比强度、耐腐蚀性和设计灵活性，广泛应用于交通运输、航空航天、建筑及能源等领域。然而，其固有缺陷在于对微损伤的敏感性，如基体开裂、纤维/基体界面脱粘及层间断裂等，这些损伤会导致结构力学完整性的逐步退化。由于修复和维护操作通常复杂且成本高昂，近年来开发能够自主修复损伤的聚合物复合材料（即自修复复合材料）成为提高可靠性、减少维护并延长服役寿命的重要策略。自修复材料分为外源型和本征型两类。外源型体系依赖微胶囊或血管网络封装修复剂，但存在单次修复限制及应力集中等问题；本征型体系则利用可逆分子相互作用或热致链迁移实现多次修复。其中，将热塑性聚合物作为修复相嵌入基体的策略尤为有效——当温度超过该聚合物的熔融或软化点时，修复相流动并填充裂纹。然而，现有体系中，如PA6与环状烯烃共聚物（COC）的共混虽实现了部分修复，但COC固有的脆性限制了所得材料的断裂韧性。因此，设计一种第二相兼具自修复能力和韧性的PA6基共混物，以实现同时增韧和修复，成为本研究的出发点。
二、研究内容与结论概述
研究人员选取聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作为修复相，因其具有高延展性、优良热加工性及较低熔点（115°C–120°C），可在120°C–150°C下熔融流动填充裂纹。通过熔融共混和热压制备了含20%–50%体积分数PBS的PA6/PBS共混物，系统表征了其流变、形态、热学、力学及断裂韧性，并评估了热激活自修复效率。结果表明，较低PBS含量（20%–30%体积分数）可提高PA6的储能模量、损耗模量和复数黏度，同时保持良好加工性；PBS以微米级分散相存在于PA6基体中，界面粘附良好；含30%体积分数PBS的配方（PA6_30P）在保持适宜刚度、强度和热稳定性的同时，提供了较高修复相比例，被选为候选组成。断裂韧性测试显示，PA6_30P在准静态和冲击加载下的KIC均高于纯PA6，尤其是冲击模式下动态断裂韧性提高约52%，GIC提高约120%。经140°C热处理60分钟后，PA6_30P在准静态和冲击模式下的修复效率分别达17.3%和40%，而纯PA6无可测修复。该研究表明PBS可作为PA6的增韧相和热激活自修复相，为多功能自修复复合材料层压板的开发提供了候选基体。论文发表于《Polymer Engineering》。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了以下关键实验技术：利用Thermo Haake Rheomix 600密炼机在230°C、60 rpm条件下熔融共混PA6和PBS（原料分别由Radici Group和PTT MCC Biochem提供），再经热压成型制备2 mm和5 mm厚板材；采用Discovery Hybrid Rheometer（DHR-2）平行板流变仪在230°C下进行动态频率扫描，测定储能模量（G′）、损耗模量（G″）和复数黏度（η*）；使用PerkinElmer Spectrum One光谱仪进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析；采用Zeiss Supra 40场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察低温脆断表面形貌并用ImageJ量化分散相尺寸；利用Mettler DSC30差示扫描量热仪（DSC）在氮气氛围下测定热转变温度和结晶度；使用Instron 5969万能试验机进行拉伸测试（ISO 527）和单边缺口弯曲（SENB）断裂韧性测试（ASTM D5045），维卡软化温度（VST）按ASTM D1525测定；冲击断裂测试采用CEAST Charpy冲击试验机（ISO 17281）；自修复处理在140°C、0.5 MPa压力下进行60分钟，修复效率（HE）按修复后与初始断裂韧性的比值计算。
四、研究结果
3.1 流变性能：动态流变测试表明，PBS含量≤30%vol时，G′、G″和η*随PBS添加而增加，表明PBS作为细小分散相增强熔体弹性；含量达40%–50%vol时，参数回落至接近纯PA6，归因于PBS液滴聚并。所有共混物在测试频率范围内G′>G″，呈类固体粘弹行为，并表现出剪切变稀特性。纯PBS的复数黏度比PA6低3–4个数量级，说明其高熔体流动性有利于加工和修复过程。
3.2 化学与微观结构表征：FTIR光谱显示共混物仅出现PA6和PBS的特征峰（如PA6的N–H伸缩振动3292 cm?1、酰胺I带1637 cm?1、酰胺II带1535 cm?1；PBS的酯羰基伸缩振动1711 cm?1、C–O–C伸缩振动1150 cm?1），无新峰或显著位移，表明两相不相容且无强化学相互作用。FESEM观察证实PBS以球形微米级液滴分散于PA6连续基体中，界面粘附较好，仅少数区域出现脱粘。PBS含量从20%增至50%vol时，液滴尺寸分布从窄峰（0.5–0.6 μm）逐渐变宽并移至更大尺寸（平均约1.2–1.3 μm），表明高含量下聚并加剧。
3.3 热性能：DSC首次升温显示，PA6熔融温度约224°C，PBS约109°C，共混物中两相熔融温度变化不大，进一步证实不相容性。PA6的结晶度从纯PA6的29%降至50%vol PBS时的约19%，可能因PBS液滴限制PA6链运动。第二次升温中结晶度略有提高，归因于消除热历史后的均匀结晶。总体而言，PBS未显著改变PA6的主要热转变。
3.4 力学性能：拉伸测试显示，纯PA6弹性模量3.7 GPa、拉伸强度56.8 MPa、断裂伸长率5.1%；纯PBS模量仅0.2 GPa、强度16.3 MPa，但断裂伸长率高达364%。随PBS含量增加，共混物模量和强度持续下降；PA6_30P的模量降低约41%，强度降低约38%，而断裂伸长率提高24%（但统计上不显著）。PA6_40P出现最严重性能下降（模量降67%，强度降60%）。维卡软化温度（VST）从纯PA6的196°C降至PA6_30P的175°C，仍维持较高热稳定性；50%vol时降至104°C。基于20%–30%vol PBS在刚度和强度保留与修复相比例间的平衡，选定PA6_30P进行断裂韧性研究。准静态SENB测试中，PA6_30P的KIC（1.33 MPa√m）较纯PA6（1.20 MPa√m）提高约11%（不显著），但GIC（2.07 kJ/m2）显著提高约120%，表明裂纹扩展能量耗散能力大幅增强。冲击模式下，PA6_30P的动态断裂韧性（1.05 MPa√m）较纯PA6（0.69 MPa√m）显著提高约52%。FESEM显示准静态断裂面呈高度塑性变形和不规则形态，而冲击断裂面光滑且无塑性变形，有利于修复相铺展。
3.5 自修复效率：经140°C、60分钟热修复后，PA6_30P在准静态模式下KIC,H为0.23 MPa√m，HE为17.3%；冲击模式下KIC,H为0.42 MPa√m，HE达40.0%。纯PA6无可测修复效果。冲击加载下更高的修复效率归因于光滑断裂表面促进了熔融PBS的流动和铺展；而准静态加载产生的不规则塑性变形表面限制了PBS的扩散和裂纹闭合。修复后FESEM观察到PA6_30P表面PBS液滴边界模糊、出现连续相，证实PBS发生了部分熔融和再分布。
五、讨论与结论
讨论指出，PBS成功赋予PA6增韧和热激活自修复功能。未来引入环氧基扩链剂等增容剂可望改善PA6与PBS的界面粘附，抑制液滴聚并，细化相形态，从而进一步提升强度、刚度和断裂韧性。多周期修复效率的评估也是后续研究方向。研究人员总结认为，含30%体积分数PBS的PA6/PBS共混物在保持较高结构性能的同时，展现出可测的热修复能力（冲击条件下40%的断裂韧性恢复），证明了PBS作为PA6的增韧与修复双功能相位的潜力，可用于未来多功能自修复复合材料层压板的开发。
