Ce diaporama a bien été signalé.
Nous utilisons votre profil LinkedIn et vos données d’activité pour vous proposer des publicités personnalisées et pertinentes. Vous pouvez changer vos préférences de publicités à tout moment.

Self healing materials iop overzicht

3 667 vues

Publié le

Publié dans : Technologie
  • Soyez le premier à commenter

  • Soyez le premier à aimer ceci

Self healing materials iop overzicht

  1. 1. Self healing materialsconcept and applications Second edition - 2011
  2. 2. reface P VoorwoordSometimes, reality goes beyond fantasy. De werkelijkheid overtreft soms de fantasie. micro-elektronica, energieopwekking enThis is certainly the case for self healing Dat geldt zeker voor zelfherstellende energieopslag zoals zonnecellen enmaterials: materials which are capable of materialen: materialen die in staat zijn, min batterijen. Het onderzoek vindt plaats aanmaking cracks and scratches disappear in a of meer zelfstandig en autonoom, scheuren vijf Nederlandse universiteiten en strengmore or less independent and autonomous en krassen te doen verdwijnen. Nederland geselecteerde Nederlandse en buitenlandseway. The Netherlands are among the energy generation and energy storage such behoort tot de koplopers op dit terrein! onderzoeksinstellingen. Zij zullen er samenfront-runners in this field. as solar cells and batteries. The research met de betrokken bedrijven voor zorgen dat takes place at five Dutch universities and Zelfherstellende materialen kunnen van de resultaten daadwerkelijk wordenSelf healing materials can be of great value strictly selected Dutch and foreign research grote waarde zijn voor maatschappij en toegepast.for society and economy, most certainly for organisations. They make sure - together economie, zeker voor topsectoren alstop sectors such as chemistry, high-tech and with the companies involved - that the chemie, hightech en energie. De Dat blijkt nu al. AkzoNobel heeft eenenergy. The development of the self healing results really will be applied. ontwikkeling van het zelfhelende vermogen zelfherstellende autolak op de marktcapacity of materials as asphalt, concrete van materialen zoals asfalt, beton en gebracht. Heijmans heeft een proefstrookand coatings is a great technological And that pays off already. AkzoNobel has coatings is een fantastische technologische van 300 meter zelfherstellend asfaltinnovation. It can also give a strong impulse marketed a self healing car body finish. innovatie. Ze kan ook een grote impuls aangelegd op de A58 bij Vlissingen. En KLMto sustainable manufacturing and Heijmans applied a test strip of 300 meters geven aan duurzame productie en bouw. Air France is betrokken bij de ontwikkelingconstruction, because the life span of a self healing asphalt on the A58 motorway Want de levensduur van een weg, tunnel of van een zelfherstellende coating voorroad, tunnel or airplane increases strongly near Vlissingen in the South-west of The vliegtuig neemt sterk toe als scheuren vliegtuigmotoren.when cracks ‘vanish’ spontaneously! Even Netherlands. And KLM Air France is involved spontaan ‘verdwijnen’! Dat kan zelfs onderunder unpredictably heavy conditions. in the development of a self healing coating onvoorspelbaar zware condities. Het is mij een groot genoegen u dit for aircraft engines. boekwerk te kunnen aanbieden over hetThis is why The Netherlands have already Daarom voert Nederland al zes jaar een onderzoek naar zelfherstellende materialenconducted for six years a wide and coherent I am very pleased to present you this breed en coherent nationaal onderzoeks­ in Nederland. Laten we er samen voornational research program, in cooperation booklet on self healing materials research programma uit, in samenwerking met ruim zorgen dat we onze internationalewith about 65 companies. The Dutch in The Netherlands. Together, let’s see to it 65 bedrijven. Het Nederlandse toppositie en topsectoren verderInnovation Oriented Research Program that we further extend our international Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma uitbouwen.“Self Healing Materials” (IOP-SHM) deals leading position and top sectors. “Self Healing Materials” richt zich op dewith the development of self healing ontwikkeling van zelfherstellendeproperties of five different material classes: eigenschappen van vijf verschillendepolymers and composites, concrete and Maxime Verhagen materiaalklassen: plastics en composieten, Maxime Verhagenasphalt, coatings, metals and ceramics, and Vice-premier and Minister of Economic beton en asfalt, coatings, metalen en Vicepremier en Minister van Economischefinally materials for micro-electronics, Affairs, Agriculture and Innovation keramiek, en daarnaast materialen voor Zaken, Landbouw en Innovatie 2 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 3
  3. 3. Contents Inhoudsopgave Preface2 Voorwoord 3 Materials which heal themselves? 8 Materialen die zichzelf kunnen herstellen? 9 1. Self healing materials - the ins outs 10 1. Zelfherstellende materialen in vogelvlucht 11 Traditional materials: damage prevention 10 Traditionele materialen: voorkómen van beschadigingen 11 Self healing materials in a historical perspective 12 Zelfherstellende materialen in historisch perspectief 13 How do materials become self healing? 14 Hoe werken zelfherstellende materialen? 15 In practice 20 De praktijk 21 2. Self healing materials: how far have we come? 24 2. Zelfherstellende materialen: wat hebben we al bereikt? 25 Introduction 24 Inleiding 25 Self healing in polymers 26 Polymeren die zichzelf repareren 27 Damage healing in fibre-reinforced composites 32 Kunststof composieten 33 Self healing materials for bone substitution 35 Beton, al dan niet gewapend 37 Self healing of cement-based materials 36 Asfalt - robuust wegdek? 43 How to prevent reinforcement corrosion in concrete? 38 Zelfherstellende metalen 47 Unravelling of porous asphalt pavements 42 Coatings - zowel structureel als functioneel 51 A thin line between metals and ceramics 46 Functionele materialen 59 Self-replenishing of organic low surface energy coatings 50 Zelfherstellende functionele materialen 63 Corrosion prevention and protection of metals with organic coatings 52 Intermezzo - Lessen uit de natuur 68 Self healing thermal barrier coatings 56 Een greep uit de deelnemende industriële partijen 70 Functional materials 58 Self healing functional materials 62 International contacts and cooperation 72 4 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 5
  4. 4. 3. Self healing materials - economics and future applications 74 3. Zelfherstellende materialen - financiële aspecten en toekomstige toepassingen 75 Economic aspects of self healing materials 74 Economische aspecten van zelfherstellende materialen 75 Financial case: Self healing PAC (porous asphalt concrete ) for the motorway 78 Praktijkvoorbeeld: Zelfherstellende ZOAB-toplaag voor op de autosnelweg 79 Exploring future applications 82 Toepassingen uit toekomstverkenningen 83 Future applications - at sea 86 Toekomstige toepassingen - op of in de zee 84 Future applications - houses 90 Toekomstige toepassingen - woningen 88 Future applications - traffic and transportation 94 Toekomstige toepassingen - verkeer en vervoer 92 Future applications - sports 98 Toekomstige toepassingen - sport 96 For further information 100 Verdere informatie 100 This content has been written by Eddy Brinkman, Betase BV De inhoud is geschreven door Eddy Brinkman, Betase BV 6 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 7
  5. 5. aterials which heal themselves? M Materialen die zichzelf kunnen herstellen?Picture this: a small meteorite races through They appeal to the imagination: materials Ze spreken erg tot de verbeelding,space and hits a manned spacecraft that just which are able to heal themselves. Despite materialen die zichzelf kunnen herstellen.left earth. Due to the high speed, the the fact that there have already been many Terwijl de natuur toch bol staat vanmeteorite punches a small hole in the wall examples in nature: wounds that apparently soortgelijke verschijnselen. Denk maar aanof the spacecraft, and oxygen flows out ... autonomously stop bleeding, or broken wondjes die schijnbaar uit zichzelf stoppenbut miraculously, within seconds the hole bones that heal after some time. The ‘only’ met bloeden, of gebroken botten die nacloses up. Science fiction? Currently yes, thing that is necessary is to transfer these enige tijd vanzelf genezen. Het ‘enige’ watbut it may become reality sooner then you tricks from nature to man-made materials. hoeft te gebeuren, is deze reparatietrucsthink. Thanks to self healing materials. uit de natuur over te brengen naar In 2011, self healing materials are far beyond materialen die met mensenhanden the science fiction stage. Indeed, the gemaakt kunnen worden. Netherlands is front-runner in the development of these materials. And that is Anno 2011 zijn zelfherstellende materialen what this booklet is about. het stadium van science fiction al ver ontstegen. Sterker nog: Nederland speelt Readers who would like to know the basic een voortrekkersrol bij de ontwikkeling van ideas of self healing materials will find them Stel je eens voor: een kleine meteoriet deze materialen. En daarover gaat dit boek. in the first chapter. If you are already familiar scheert door de ruimte en treft een bemand with self healing materials and would like to ruimteschip dat net van de aarde is Lezers die op hoofdlijnen de ‘ins-en-outs’ know the state of the art of technological vertrokken. Door de hoge snelheid schiet van zelfherstellende materialen willen developments in the Netherlands, please de meteoriet een klein gaatje in de wand kennen, doen er goed aan om het eerste read chapter two. If you are interested in the van het ruimteschip, waardoor zuurstof hoofdstuk te lezen. Weet je al globaal wat (future) possibilities of self healing naar buiten spuit .... maar op miraculeuze zelfherstellende materialen zijn, en wil materials, please read the third chapter. wijze groeit dit gat binnen enkele seconden je weten wat de stand van zaken is van vanzelf dicht. de ontwikkelingen die in Nederland Science fiction? Nu nog wel, maar het kan plaatsvinden en -vonden, ga dan naar het werkelijkheid worden, en sneller dan je tweede, meer technisch-inhoudelijke denkt. Dankzij zelfherstellende materialen. hoofdstuk. En voor mensen die willen weten welke mogelijkheden er voor zelfherstellende materialen openliggen, is het derde hoofdstuk de moeite meer dan waard om te lezen. 8 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 9
  6. 6. 1. Self healing materials - 1. Zelfherstellende materialen the ins outs in vogelvlucht The most important reason for using materials which are able to heal themselves is De belangrijkste reden om materialen te willen gebruiken die zichzelf kunnen the need for materials which are very reliable and durable – i.e. with a long lifetime. repareren, is de behoefte aan materialen die heel betrouwbaar en heel duurzaam - For example, because these materials can be applied on locations that are hardly dus met een lange levensduur - zijn. Bijvoorbeeld omdat deze materialen dan accessible – located very high or very deep – and, hence, difficult and expensive to kunnen worden toegepast op plaatsen die vanwege grote hoogte of grote diepte niet repair. It is not necessary for these materials to be very strong. More important is that goed toegankelijk zijn waardoor reparatie moeilijk en dus zeer kostbaar is. Deze they do not fail during their (long) lifetime as a result of the loads which are applied materialen hoeven niet heel sterk te zijn. Het is vooral van belang dat ze in hun to them, by healing themselves over and over again - preferably without an external (lange) gebruiksduur niet bezwijken aan de belasting waaraan ze onderworpen stimulus. Healing of materials rather than improving materials. This is totally different worden, doordat ze zichzelf steeds repareren. Het liefst zonder dat daar iets of from the way materials are currently designed and made. iemand voor nodig is. Je kunt dit het beste verwoorden door te stellen dat het niet gaat om ‘betere materialen te maken’, maar om het materiaal voortdurend ‘beter te maken’ in de zin van herstellen. En dit wijkt behoorlijk af van de manier waarop Traditional materials: materialen tot nu toe bedacht en ontwikkeld worden. damage preventionOver thousands of years, people have tried to exclude (small) cracks and other defects. Traditionele materialen: min mogelijk scheurtjes en anderemake better and stronger materials. Materials This means that periodical inspection of voorkómen van beschadigingen oneffenheden in het materiaal inbouwt.which meet stronger demands, so that they products and structures made of these Deze kunnen immers in een later stadium –persist in higher buildings or stronger materials will be necessary, to monitor the Al duizenden jaren lang hebben mensen als het product gebruikt of belast wordt –bridges with more and heavier traffic loads. further development of the damage. geprobeerd om steeds betere en sterkere uitgroeien tot grotere scheuren of breukenBut also to prevent damage of the material And if such damage – either small or large – materialen te maken. Materialen die aan die het product uiteindelijk kapot maken.during use as much as possible. In a way, has been determined, it will never steeds hogere eisen voldoen, zodat zethese materials have been manufactured disappear. At a certain moment an action goed stand houden in hogere gebouwen Deze methode van schadepreventie is in hettoo well - especially by optimizing the will be necessary to repair the damage or to of sterkere bruggen waarover meer verleden - en nu nog steeds - erg bruikbaarmanufacturing process. We make sure that as replace the entire product. Inspection as en zwaarder verkeer moet kunnen rijden. gebleken. Er is alleen één maar: je kuntless cracks and other defects as possible are well as repairing can be time consuming – Deze betere eigenschappen werden (kleine) scheurtjes en andere oneffenhedenbeing introduced into the material at the and hence expensive – steps. verkregen door te zorgen dat spontane nooit helemaal uitsluiten. Dit houdt in datstart. In a later stage – when the product is gebruiksschade aan het materiaal tijdens dit je de producten en structuren die je vanbeing used or loaded – these cracks can grow It would be advantageous to have a material gebruik zo lang mogelijk wordt voorkomen. deze traditionele materialen maakt,into larger cracks or fractures, which can available which can conduct these actions In zekere zin werden deze materialen periodiek moet inspecteren om de verderedestroy the product eventually. autonomously, without external daarom te goed gemaakt. Dit gebeurde ontwikkeling van deze schade teThis damage prevention approach has been interference: a self healing material. vooral door het productieproces te controleren. En als zo’n beschadiging - hoevery useful. However, it is impossible to optimaliseren: zorg dat je bij aanvang zo klein ook - eenmaal is vastgesteld, 10 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 11
  7. 7. dan zal deze nooit vanzelf meer verdwijnen. Dit gaat net zo lang door tot het scheurtje Op enig moment zal er een actie nodig zijn helemaal is opgevuld, en de brug dus om deze schade te repareren, of om het hele plaatselijk gerepareerd is. product te vervangen. Zowel het inspecteren Zo zie je dat een materiaal niet noodzakelijk als het repareren kan een tijdrovende - en sterk moet zijn om een zelfherstellend daardoor dure - bezigheid zijn. En dan zou effect tot stand te brengen. Immers, het het mooi zijn om een materiaal voorhanden ‘Romeinse cement’ is mechanisch gezien te hebben dat deze acties autonoom, zwakker dan cement dat nu gebruikt wordt, zonder ingrijpen van buitenaf, tot stand maar het zorgt er wel voor dat de kan brengen: een zelfherstellend materiaal. bouwwerken er na 2000 jaar nog steeds staan. Overigens functioneren oude stadsbruggen in Amsterdam, Utrecht en Zelfherstellende materialen in Delft - die ‘slechts’ enkele honderden jaren historisch perspectief oud zijn - nog goed dankzij hetzelfde mechanisme. Materialen die in staat zijn om zichzelf te repareren bestaan al langer dan je op het eerste gezicht denkt. Zo zullen de oude Romeinen er in hun tijd niet bij hebben Self healing materials in a stilgestaan dat hun bouwwerken ook nu historical perspective nog te bewonderen zijn. Een waar staaltje van duurzaamheid. De toestand van stenenMaterials which are able to heal themselves the lime deposits inside the crack. This will bruggen en aquaducten uit de Romeinse tijdhave a long history. See, for instance, the continue until the crack is completely filled is nog steeds behoorlijk goed, ondanks datconstructions of ancient Romans, which still up – and the bridge is repaired locally. This ze er al eeuwen liggen. Het geheim zit ‘mcan be admired nowadays; a masterly shows that a material does not necessarily in het ‘cement’ - op basis van vulkanisch asexample, indeed. The state of stone bridges have to be strong to realize a self healing en kalk - dat de oude Romeinen bij hunand aqueducts from the Roman age is still effect. Indeed, the ‘Roman mortar’ is bouwwerken gebruikten om stenen aanquite good, despite the fact that they have mechanically weaker than mortar that is elkaar te metselen. En juist deze kalk in hetbeen there for centuries. The secret is in the currently being used, but structures made cement gaf - en geeft nog steeds - aan de‘mortar’ – based on volcanic ash and lime - with this ancient mortar have outlived more bruggen en aquaducten zelfherstellendethe ancient Romans used in their than 2000 years. The same mechanism is eigenschappen mee. Want deze kalk lostconstructions to glue the bricks together: it applicable to old bridges in the cities of op in regenwater, en kan zo naar een anderehas some self healing characteristics. Amsterdam, Utrecht and Delft, which are plaats sijpelen. Bijvoorbeeld naar eenLime dissolves in rain water, and can seep to ‘only’ a few hundred years old. scheurtje in het bouwwerk dat het kalk­another place, for example, to a crack within bevattende water aanzuigt. Als het waterthe construction that sucks in the lime- verdampt, dan vormt de kalk een afzettingcontaining water. When the water vaporizes, in het scheurtje. 12 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 13
  8. 8. A more recent example is stainless steel, a Een veel recenter voorbeeld is roestvast metal alloy containing at least 12 weight per staal, in de volksmond beter bekend als cent of highly-reactive chromium. roestvrij staal. Ondanks z’n naam ‘roest’ dit When stainless steel gets damaged, for materiaal wel degelijk - uit zelfbescherming. example, by a scratch at the surface, the Wat gebeurt er namelijk? Roestvast staal is chromium reacts with oxygen present in the een metaallegering met minimaal air. The result is a thin layer of chromium 12 gewicht­procent chroom, en dit bestand­ oxide, which is impermeable to molecular deel is erg reactief. Als het roestvaste staal oxygen and protects the underlying material. beschadigd raakt, bijvoorbeeld door een kras op het oppervlak, dan reageert het Asphalt is another material with self healing chroom met zuurstof uit de lucht. Het characteristics in the daily life of the resultaat is een dunne laag chroomoxide die previous and current century. verder ondoordringbaar is voor zuurstof, Microscopically small cracks that arise en het onderliggende materiaal beschermt. during daytime, close slowly at night when there is much less traffic. The constituent Asfalt is een ander materiaal met bitumen – the viscous, tar-like material that zelfherstellende trekjes uit het dagelijkse glues small stones together within the leven van de vorige en deze eeuw. asphalt - seems to be responsible. Microscopisch kleine scheurtjes die overdag How do materials become self in het asfalt ontstaan, trekken ‘s nachts Hoe werken zelfherstellende healing? These examples show that self healing - als er veel minder verkeer is en de materialen? materials are already part of our daily life on temperatuur niet te ver zakt - langzaamSelf healing materials are inspired by a small scale. Meanwhile, self healing weer dicht. Het bestanddeel bitumen Zelfherstellende materialen vinden hunnature. In fact, they are the artificial materials have brought about a revolution lijkt hiervoor verantwoordelijk te zijn. inspiratie in de natuur. Het zijn als het warecounterparts of a tree, which can heal in ‘materials world’. What demands should Dit is het viskeuze, op teer lijkende de kunstmatige tegenhangers van een boomdamage to its trunk or branches by itself, materials meet to be able to repair materiaal dat functioneert als bindmiddel die schade aan stam of takken zelf kanor a cut in a finger, which seemingly themselves? voor de steentjes en grind in het asfalt. herstellen, of een snee in de vinger diespontaneously stops bleeding. Damage to a schijnbaar spontaan ophoudt met bloeden.material does not have to be a problem, if Deze voorbeelden laten zien dat zelf­ Beschadiging van een materiaal hoeft geenthe material is able to repair the damage herstellende materialen al op kleine schaal probleem te zijn, als dit materiaal maaritself. In other words: if a process where the deel uit maken van het alledaagse leven. in staat is om deze schade zelf te repareren.damage is removed or healed counteracts the Voorbeelden die op vele andere gebieden Of anders gezegd: als de vorming vanformation of the damage. Such a material gevolg zouden kunnen krijgen. de schade maar wordt tegengewerkt doorshould combine an optimum of mechanical Zelfherstellende materialen hebben een proces waarbij deze schade wordtstrength and self healing capacity. inmiddels een revolutie in materialenland verwijderd of hersteld. Je streeft bij zo’n teweeg gebracht. Maar waar moet materiaal naar een optimum tussen sterkte een materiaal precies aan voldoen en zelfherstellend vermogen. om zichzelf te kunnen repareren? 14 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 15
  9. 9. Het belangrijkste aan een zelfherstellend structureel materiaal is dat het z’n reguliere, mechanische werk onder alle omstandig­ heden kan blijven doen. Of dit nu ondersteuning, vormbehoud of welke taak dan ook is. Een zelfherstellend materiaal moet dus voor een aanzienlijk deel nog bestaan uit bestanddelen - stapelingen van atomen of moleculen - die het materiaal de gewenste mechanische eigenschappen geven. Hier onderscheidt een zelfherstellend materiaal zich niet wezenlijk van zijn huidige tegenhanger. Als je een materiaal zelfherstellend wiltMaterials performance as a function of time. Traditional materials only accumulate maken moet je ervoor zorgen dat ontstanedamage and fail after a certain period of use. For classically improved traditional beschadigingen - bijvoorbeeld scheuren -materials the mechanisms remain the same and the improvement is rather mar­ min of meer spontaan verdwijnen. Je laatginal. Self healing materials may show some early deterioration, yet its self healing de lege ruimte van de scheur opvullen metcharacter makes sure that total failure only occurs after very long times. ‘iets’ dat ervoor moet zorgen dat het materiaal weer net zo goed is als voor de beschadiging. En dat ‘iets’ moet vanuit het materiaal zelf komen. In de praktijk betekent dit dat je een klein gedeelte van het materiaal naar de scheur laat bewegen om deze op te vullen. Een fractie van de atomen waaruit het materiaal is samengesteld moet dus mobiel zijn over grotere of kleinere afstand, om de lokale scheur op te kunnen vullen. Maar dat is nog niet alles. Want als deze ‘mobiele deeltjes’ bij de scheur zijn aangekomen, moeten ze hun ‘herstellende werking’ uitvoeren - bijvoorbeeld twee oppervlakken van de scheur weer samenbinden - en daarna niet meer verder bewegen. 16 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 17
  10. 10. The most important feature of a self healing The entire process of self healing is a Het hele proces van zelfherstel bestaat uit Je kunt je voorstellen dat het zelfherstelstructural material is its ability to perform its combination of detection and repair. In a detecteren en repareren. Het materiaal eenvoudiger verloopt als de oppervlakkenregular, mechanical task – such as support or way, the material has to ‘sense’ that it is moet als het ware ‘voelen’ dat het ergens van de scheur dicht bij elkaar zitten, of alsshape maintenance - under all conditions. damaged somewhere, and it has to respond beschadigd is, en hierop actie ondernemen. ze hiertoe gedwongen worden zoals bij eenThis means that a self healing material to this damage. The ‘sensor’ has to be inside Zo’n ‘voeler’ moet in het materiaal zelf medische hechting. Scheuren die nog nietshould consist mainly of constituents – the material itself. After detection of the zitten. Na detectie van de beschadiging door het hele materiaal lopen kunnenarrangements of atoms or molecules – that damage, the ‘sensor’ has to trigger the moet de ‘voeler’ het herstelproces in gang gemakkelijker worden gerepareerd,give the material its desired mechanical healing process, for example by guiding the zetten, bijvoorbeeld door de ‘mobiele aangezien de scheuroppervlakken dicht bijproperties. From this point of view, a self ‘mobile species’ to the damage site, or by deeltjes’ hier naartoe te geleiden, of door elkaar worden gehouden door het gedeeltehealing material does not differ much from initiating a (curing) reaction. The ‘sensor’ een (uithardende) reactie te starten. dat (nog) niet gescheurd is. Ook gaat hetits traditional counterpart. may consist of a separate set of atoms in the De ‘voeler’ kan bestaan uit een aparte set zelfherstel gemakkelijker als de belasting material, which is triggered one way or the atomen in het materiaal die op de één - die gezorgd heeft voor het ontstaan vanFor a material to become self healing, cracks other. But preferably, the damage itself is this of andere manier aangesproken worden. de scheur - af en toe verdwijnt, zodat deand other damages have to disappear more ‘sensor’, just like a cut in your finger, which Maar bij voorkeur is de beschadiging zelf scheuroppervlakken weer naar elkaar toeor less spontaneously. To this end, it is eventually makes the wound stop bleeding. deze ‘voeler’, net als een snee in je vinger gaan. Zelfherstellende materialen zullennecessary to fill up the empty space of the die er uiteindelijk voor zorgt dat de wond dan ook hoge ogen gooien bij toepassingencrack with ‘something’ that has to make the The process of self healing will be easier stopt met bloeden. onder wisselende belasting. Denk maar aanmaterial just as good as before the damage. when the surface areas of the crack are het eerder genoemde voorbeeld dat overdagAnd the origin of that ‘something’ has to be (forced to be) close to each other. Cracks ontstane scheurtjes in asfalt ’s nachts(inside) the material itself. In practice, this which are not completely present through- langzaam weer dicht trekken, als er mindermeans that a small part of the material has out the material can be repaired easier, as verkeer is.to move towards the crack to fill it up. the crack surfaces are kept somewhatHence, a fraction of the atoms the material together. Furthermore, self healing will beis composed of has to be mobile over a large easier when the crack-causing load vanishesor small distance, to fill up the local crack. occasionally, so that the crack surfaces moveBut there is more: when these ‘mobile species’ again towards each other. A key applicationhave reached the crack, they should do their of self healing materials will be under‘healing job’ – for example, join two surfaces alternating loads, as is the case with cracksof the crack – and stop moving further. in asphalt which arise at daytime and close during the less traffic-loaded night. 18 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 19
  11. 11. In practice De praktijkThe development of man-made self healing Innovation. The program aims to explore De ontwikkeling van zelfherstellende Op kleine schaal zijn ‘nieuwe’ zelf­materials has expanded enormously in the new pathways to realize self healing materialen die door de mens gemaakt zijn, herstellende materialen inmiddels alpast decennium. A landmark in this respect polymers, metals, concrete, asphalt, heeft in het afgelopen decennium een commercieel verkrijgbaar. Denk hierbij aanis an American example of 2001, where composites and coatings. The results up to vlucht genomen. Het vakgebied is in 2001 zelfherstellende autolakken waarbij kleinemicrocapsules filled with a self healing fluid now can be found in chapter two of this goed van de grond gekomen door een in krasjes als sneeuw voor de zon verdwijnen,were embedded in a polymeric material. booklet. They have been so successful that Amerika ontwikkelde plastic, waarbij kleine zonder dat je daar iets voor hoeft te doen.A developing crack that finds such a the program has continued and extended to bolletjes met een zelfherstellende vloeistof Hoogstens moet je de auto in diezelfde zonmicrocapsule on its pathway ruptures the new material types. werden ingebed. Mocht er een scheur in het plaatsen, aangezien de zonnewarmtecapsule, and its liquid content fills the materiaal komen die zo’n bolletje op haar verantwoordelijk is voor het spontaan latencrack. Thanks to the presence of a On a small scale, ‘new’ self healing weg vindt, dan breekt dit bolletje open en verdwijnen van de krasjes. Ook bestaan(polymerization) catalyst the fluid cures materials are already commercially vloeit de inhoud in de scheur. Onder er inmiddels zelfherstellende skibrillen dieand the crack stops developing. available. In self healing car body finishes, invloed van een aanwezige (polymerisatie) krasvrij worden nadat ze een nachtje small scratches vanish like snow in summer. katalysator hardt deze vloeistof vervolgens op de radiator hebben gelegen.Not only the United States, but the The only action necessary is to place the car uit, en de twee helften van de scheurNetherlands also carries out pioneering in the sun, as solar heat is responsible for zijn weer verbonden en de scheurwork in this respect. In 2006 the Innovation the ‘spontaneous’ disappearance of the is effectief verdwenen.Oriented Research Program Self Healing scratches. Furthermore, self healing skiMaterials (IOP-SHM) started, financially goggles are on the market which become Na dit baanbrekende werk hebben desupported by the Dutch Ministry of scratch-free after one night on the radiator. ontwikkelingen niet stilgestaan. NederlandEconomic Affairs, Agriculture and speelt hierbij een voortrekkersrol. In 2006 is het Innovatiegerichte Onderzoeks­ programma Self Healing Materials (IOP- SHM) van start gegaan, gestimuleerd door het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie. Doel van dit programma is om nieuwe routes te verkennen om te komen tot zelf­- herstellende plastics, metalen, beton, asfalt, composieten en coatings. De resultaten tot op heden staan beschreven in het tweede hoofdstuk van dit boekje, en deze zijn zo succesvol geweest dat het programma is voortgezet en uitgebreid naar nieuwe materiaalklassen. 20 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 21
  12. 12. Self healing materials are in the future expected to be used in places where reliability and/or Het ligt het meest voor de hand dat je zelfherstellende materialen in de toekomst op dedurability play a key role: volgende plaatsen gaat gebruiken, waar betrouwbaarheid en/of duurzaamheid een essentiële rol spelen:1 In places that are difficult to access to perform (expensive) repairs, such as at high 1 Op plaatsen waar je moeilijk bij kunt om (dure) reparaties uit te voeren, zoals op grote altitude (high buildings, wind turbines at hoogte (hoge gebouwen, windturbines op zee), onder de sea), underground (piping) or under the rond (pijpen en leidingen) of onder water (kabels en leidingen). water surface (cables and piping). 2 Toepassingen waarbij betrouwbaarheid en2 Applications where reliability and safety are key issues, even during overload or veiligheid hoog in het vaandel staan, zelfs unforeseen circumstances: airplanes, spacecrafts or long-term storage of nuclear waste. bij overbelasting of onvoorziene omstandigheden; denk aan vliegtuigen, ruimtevaartuigen of lange-termijn-opslag3 Structures which have to last very long van nucleair afval. (several decades), such as in large infrastructural applications as dikes, dams and tunnels. 3 Structuren die zeer lang (meerdere tientallen jaren) moeten meegaan, zoals in grote infrastructurele toepassingen als waterkeringen en tunnels.4 Applications where large repairs result in a lot of inconvenience in society, such as repairs of roads and in energy supply. 4 Toepassingen waarbij grote reparaties zorgen voor veel maatschappelijk overlast, zoals reparaties van wegdekken en bij de5 In products which need to have a ‘damage- energievoorziening. free’ surface from an aesthetic or protective point of view over a long period of time, such as painted surfaces or coatings that 5 Bij producten die een ‘schadevrij’ oppervlak moeten blijven houden vanuit esthetisch (mooi) have to protect against corrosion or high of beschermend oogpunt, zoals geverfde oppervlakken of coatings die tegen corrosie of te temperatures. Other examples are cars, hoge temperaturen beschermen. Maar denk ook aan auto’s, optische systemen of ramen. optical systems or windows. 6 High-tech apparatuur voor de productie van6 High-tech equipment for the production of high-quality products; machines which have hoogwaardige producten; dit zijn machines to be in operation 24/7, where downtime should be minimized. waarmee doorgaans continu - 24 uur per dag en 7 dagen per week - wordt gewerkt, en waarbij uitvaltijd tot een minimum moet worden beperkt. 22 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 23
  13. 13. 2. Self healing materials: 2. Zelfherstellende materialen: how far have we come? wat hebben we al bereikt? Introduction Inleiding Polymers occupy a prominent position within the self healing materials. That is not Polymeren (plastics) nemen een prominente plaats in binnen de zelfherstellende surprising, as one condition for self healing - the mobility of a self healing agent to materialen. Dat is niet verwonderlijk omdat één voorwaarde voor zelfherstel - de the damaged site - is more intrinsic to polymers than to, for example, metals or beweeglijkheid van een zelfherstellend middel naar de plek van de beschadiging - ceramics. In these latter two material types, the atoms in the solid phase are strongly meer inherent is aan polymeren dan aan bijvoorbeeld hoogsmeltend metaal of bound in three-dimensional rigid structures. But even they can heal themselves, keramiek. In deze laatste twee materiaaltypen zijn de atomen in de vaste toestand using healing mechanisms which are tailor-made for these materials. sterk gebonden in driedimensionale, starre structuren. Maar zelfs deze materialen kunnen zichzelf repareren, met herstelmechanismen die voor deze materialen op Self healing materials have become a material class on its own, mainly because of the maat zijn gemaakt. research in this field in the past few years. Now, it is a good moment to assess the results: how far have we come in the year 2011? Is it already possible - or what are the Zelfherstellende materialen zijn langzamerhand al een materiaalklasse an sich geworden. ideas - to extend the life span of polymers, composites, concrete, asphalt, metals and Niet in de laatste plaats door het onderzoek dat in Nederland plaatsvond, en nog steeds coatings by self healing? And for which specific challenges the self healing process plaatsvindt. Tijd om de balans op te maken: wat hebben we al bereikt anno 2011? has already provided a solution? Possibly these examples - which themselves are Hoe is het inmiddels gelukt - of welke ideeën zijn er - om polymeren, composieten, partly inspired by nature - become an inspiration for self healing on totally different beton, keramiek, asfalt, metaal en coatings langer te laten leven door zichzelf te areas (of materials). herstellen? En voor welke concrete problemen heeft het proces van zelfherstel al oplossingen geboden? Wellicht bieden deze voorbeelden - die zelf deels op de natuur In the year 2010, new developments have started in the field of self healing materials in geïnspireerd zijn - inspiratie voor zelfherstel op hele andere (materiaal)gebieden. the Netherlands. Not only structural self healing materials – which carry loads or have a protective function - but now also their functional counterparts are subject of research. Naast structurele zelfherstellende materialen, die voornamelijk scheuren repareren in These are materials in devices for energy generation (such as solar cells and fuel cells), materialen die krachten moeten kunnen dragen of een beschermende functie hebben, energy storage (like batteries), in light generating devices such as LEDs, and in is een logische vervolgstap om ook functionele materialen zichzelf te kunnen laten micro-electronics. In general, these devices consist of numerous components and herstellen. Denk hierbij aan materialen in apparaten of ‘devices’ voor energieproductie materials, making them hard to be repaired after damage since they are generally hard (zoals zonnecellen en brandstofcellen), energieopslag (zoals batterijen) en micro- to dismantle. elektronica. Bovendien bestaan deze ‘devices’ uit een verscheidenheid aan componenten en materialen. Ze kunnen vaak moeilijk gerepareerd worden na een beschadiging omdat ze in het algemeen niet te demonteren zijn. 24 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 25
  14. 14. Self healing in polymers Polymeren die zichzelf repareren Thermisch reversibele chemische bindingen in polymeren via (retro)The classical approach for self healing of example, in extruders. As about 80 per cent of De ontwikkeling van zelfherstellende Diels-Alder reactiespolymers by micro-encapsulated healing the world’s plastic consumption consists of materialen is in 2001 in een stroom­ Binnen de organische chemie is eenagents and solid catalysts, both embedded in thermoplastic materials, the importance of versnelling gekomen met het baanbrekende Diels-Alder reactie een koningin onder dethe polymer matrix, has limited use. healing these materials is self-evident. werk van de Amerikaan Scott White. reacties. Met relatief weinig energie is hetThis is due to the negative effects of the Self healing in thermoplastic polymers Hij kreeg het voor elkaar dat inerte mogelijk om via deze reactie een grotemicrocapsules on mechanical properties and (like polystyrene or polymethyl methacrylate) polymeren zichzelf konden repareren diversiteit aan gefunctionaliseerde enthe high catalyst load required to with a one-component healing system can be doordat hij brosse bolletjes, gevuld met een gesubstitueerde ringsystemen te bereiden.compensate for catalyst deactivation. A new established by embedding microcapsules vloeibare lijm, in het polymere materiaal liet En wat het voor zelfherstellende materialenapproach for autonomous healing of containing well-selected polymer solvents opnemen. Een scheurtje dat in het materiaal zo interessant maakt, is dat je de reactiepolymer networks is based on cross-linking (such as dichlorobenzene). When a crack begon en zich verder ontwikkelde vond kunt omkeren door de temperatuur teinduced by local stresses. These stresses proceeds in the thermoplastic, the crack uiteindelijk zo’n bolletje op zijn weg. verhogen - een retro Diels-Alder reactie -activate a latent polymerization catalyst - eventually opens embedded microcapsules. Dit bolletje brak open en de lijm vloeide in waardoor je de oorspronkelijke reactantencompletely unreactive until activated - by Solvent is released into the crack, where it de scheur. De lijm hardde vervolgens uit terugkrijgt die - bijvoorbeeld na afkoelenremoving a polymer-bound ligand, revealing wets the surfaces of the crack. Swelling of the onder invloed van een aanwezige - weer met elkaar kunnen reageren in eena ruthenium-based or other metal-based thermoplastic allows a decrease in glass katalysator, en de beginnende scheur stopte. Diels-Alder reactie.catalyst that is ready for polymerization. In transition temperature, and the increased Als je dit principe op een slimme manierthe most ideal case, when the local stresses polymer mobility causes re-entanglement of Om de mechanische schade van polymeren toepast op polymeren, dan kun jehave been removed, the polymer-bound the polymer chains. The material is healed te repareren kun je verschillende reversibele (omkeerbare) polymerisatie veleligand would reconnect to the metal, to form when the solvent diffuses out or evaporates. benaderingen gebruiken. Een reparatiestap malen herhalen en zou je een polymeeragain the latent, ‘sleeping’ catalyst that is Healing of thermoplastics is a physical op microscopisch niveau - zeg maar: de zichzelf kunnen laten herstellen. Zo kan eenready for a new stress-induced activation. process, in contrast to chemical healing in moleculen - heeft meerdere voordelen. organische furan-groep - in de basis een thermosetting materials. Zo ben je er sneller bij - beschadiging is nog zuurstofbevattende vijfring met tweeAs a new self healing concept, plasticity can An improved self healing mechanism is based niet gevorderd tot op macroscopisch, reactieve, dubbele bindingen - via ‘Diels-be introduced in a thermosetting polymer on latent solvent storage and in situ release mogelijk fataal niveau - en kun je de Alder’ reageren met een maleimide-groep -material by a radical-induced redistribution upon damage. To this end, a microporous filler oorspronkelijke eigenschappen herstellen. een stikstofbevattende vijfring met éénof cross-links. In this way, stresses in the filled with a high boiling solvent encapsulated Polymere materialen kunnen zich op dubbele binding en twee carbonylgroepenpolymer structure can be relieved, and the by a polymer can be used. Advantages of moleculaire schaal meerdere malen achter aan de stikstof gebonden - tot een gebrugdeinduced plasticity has the ability to repair the microporous fillers, such as microporous silica, elkaar repareren. Enerzijds door het zesring met één dubbele binding.material. A photo-induced initiator pumice, expanded clay or zeolites, are that they verbreken en opnieuw vormen vandecomposition can act as a radical source. are melt processable – which is crucial for moleculaire bindingen in de polymere thermoplastic resins – and that better hoofdketen, en anderzijds door dezelfde (re)Self healing is not only of interest for mechanical properties are likely. Although the acties met bindingen tussen de hoofdketens.thermosetting polymers to repair the basic self healing principle has proven to work Deze reversibiliteit vormt de basis voor dethree- dimensional network of cross-links, for specific thermoplastic materials, applying it onderstaande - niet uitputtende -but also for thermoplastic materials: plastics to industrially manufactured engineering zelfherstellende routes voor polymeren.which are processed by melting them, for plastics is another challenge. 26 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 27
  15. 15. Deze Diels-Alder reactie kan in de polymere hoofdketen plaatsvinden, in de vorm van polymerisatie van multifunctionele monomeren met bismaleimides en di- of trifunctionele furan-groepen. Daarnaast is het mogelijk om driedimensionale polymere netwerken te bouwen waarbij cross-links (kruisverbindingen) tussen de hoofdketens het gevolg zijn van reagerende furan- en maleimide-groepen als zijgroepen van een polymere hoofdketen. Zelforganiserende polymeren via (Retro) Diels-Alder reactie / (Retro) Diels-Alder reactionTU Eindhoven waterstofbruggen Supramoleculaire polymeren wijken af van Lineaire polymeerketens oplossen in ‘normale’ polymeren doordat hun een thermoharder monomeren niet covalent met elkaar Moleculen die deel uitmaken van een verbonden zijn, maar interactie vertonen via thermo­hardend polymeer, bijvoorbeeld een veel zwakkere bindingen als epoxyhars, zijn niet mobiel vanwege de hoge waterstofbruggen of vanderwaalskrachten. dichtheid aan cross-links (kruisverbindingen) De polymere ‘ketens’ zijn dus opgebouwd in het materiaal. Vanuit zichzelf kunnen ze dan uit afzonderlijke moleculen, en de ook geen schade herstellen, en je zult daarom bindingen hiertussen hebben vaak een iets slims moeten verzinnen. reversibel karakter. Er is een dynamisch Lineaire moleculen die in de juiste mate evenwicht tussen de afbraak en de vorming oplosbaar zijn in de epoxyhars kunnen door het “Zelfherstellende materialen zijn efficiënt omdat je per saldo minder grondstof nodig van deze ketens. Dit biedt mogelijkheden netwerk van crosslinks kronkelen. Reptatie, hebt per eenheid product, en dat sluit één-op-één aan bij onze aanpak van duurzaam om zichzelf organiserende polymeren te oftewel de slangachtige thermische beweging beleggen.” maken met inherente zelfherstellende van macromoleculen, ligt hieraan ten grondslag. kenmerken. Leuke bijkomstigheid is dat je Als de twee breukvlakken van een beschadigde Jan Willem Hofland - Managing Director Triodos MeesPierson dit type polymeren wellicht goed kunt epoxyhars voldoende dicht tegen elkaar recyclen. aanliggen, dan kunnen de lineaire moleculen “Self healing materials are efficient, as less raw material will be necessary per unit pro­ door deze grensvlakken heen kronkelen en de duct. This forms a perfect match with our sustainable investment approach.” breuk herstellen. Om voldoende mobiliteit van het lineaire molecuul tot stand te brengen, en om het herstelproces binnen een redelijke tijdspanne te laten plaatsvinden, moet het materiaal wel enigszins opgewarmd worden. 28 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 29
  16. 16. Ionomeren - ionogene polymeren domeinen binnen de organische structuur, Bij de meeste herstelprocessen is enige die een gunstig effect hebben op de verwarming nodig; de beweging van lineaire mechanische en fysische eigenschappen van moleculen in een epoxy matrix is hier een het polymeer. Tijdens de inslag draagt een goed voorbeeld van. Maar je kunt nog een projectiel zijn energie over aan het materiaal stap verder gaan: gebruik de warmte die dat enigszins elastisch meebeweegt in de gegenereerd wordt bij een beschadiging om richting van het projectiel. Door wrijving van deze beschadiging te herstellen. Denk hierbij het projectiel met het materiaal warmt dit aan de inslag van een kogel of ander materiaal plaatselijk zo sterk op, dat het projectiel, waarbij het geraakte materiaal polymeer smelt en zich uitstrekt tot aan het plaatselijk aanzienlijk opwarmt als het moment waarop het projectiel het materiaal projectiel er in of doorheen schiet. En juist doorboort. Het meebewogen materiaal veert deze warmte kun je gebruiken voor het elastisch terug naar z’n uitgangspositie, waar herstellen van het materiaal. In deze het - nog steeds in gesmolten toestand - hoedanigheid zijn zogenaamde ionomeren vervormt, weer samensmelt en stolt om volledig zelfherstellend na doordringing met het ontstane gat te dichten. Het herstel is een kogel, mits de inslag niet teveel extreem snel, in de orde van milliseconden. materiaal wegneemt. Opvallend bij dit materiaal is dat de inherente chemische structuur verantwoor­ Ionomeren - een samenvoegsel van ionogene delijk is voor het zelfherstellende proces. polymeren - bestaan voor ruim één-vijfde deel Er zijn geen aanvullende ‘herstellende uit ionogene groepen die zijn ingebed middelen’ nodig. Hierdoor kan het proces in een organische polymeer. Deze ionogene zich vele malen herhalen. groepen vormen aggregaten, typische Projectiel door een ionomere wand / Bullet through an ionomeric wallUniversiteit Twente 30 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 31
  17. 17. Damage healing in fibre-reinforced Kunststof composietencomposites Voor vezelversterkte composietenApplications in aerospace and automotive supramolecular polymers. When a crack is - zoals koolstofvezels ingebed in eenuse light, strong and stiff structures made of present in the matrix part of the composite, epoxymatrix - zijn weer hele anderecontinuous fibre-reinforced composites. it will be healed by increasing the herstelprocessen mogelijk. Want als je naastThe lifetime of these composites - usually temperature, as this results in breaking of koolstofvezels ook holle glasvezels in hetglass or carbon fibres embedded in an epoxy the hydrogen bonds, leading to shorter materiaal opneemt, dan kun je hierinresin matrix - is strongly influenced by polymers, which behave liquid-like and flow reactieve herstellende vloeistoffen opslaandelamination of layers that make up the to the void of the crack. The crack becomes die bij breuk van het materiaal - en dus vancomposite material, or by matrix cracks in smaller and vanishes eventually. When the de glasvezels - met elkaar reageren. Net alsthese layers after impact. Delamination in healing is completed, the temperature can bij bloedvaten kan door een stelsel vanthese composite materials is normally not be lowered to ‘normal’ conditions. holle vezels de toevoer van herstelmiddelvisible on the outside. Conventional ways to The possibilities and limitations of veel groter zijn dan wanneer je te makenrepair thermoplastic matrices in composites supramolecular polymers in composite hebt met locaal ingebedde, afzonderlijkeare mainly applicable to external and materials will be explored further. capsules. Bovendien kun je zo grotereaccessible damages, instead of internal and gebieden herstellen waar onthechtinginvisible microcracks. - het van elkaar loslaten van de lagen waaruit een composiet is opgebouwd -Internal delamination and matrix cracks of matrixbreuk is opgetreden. Voor veelneed an unconventional solution, and one toepassingen van composieten in de lucht-approach is the autonomous healing of en ruimtevaart is de initiële sterkte vancomposite materials using supramolecular G.v.d. Veen/H.H een composiet veel minder van belangpolymers where fourfold reversible hydrogen als ontwerpparameter dan de sterktebonds are present between na impact.­ureidopyrimidinone (UPy) dimers.By breaking and restoring the relativelyweak hydrogen bonds between the dimers, Somewhat related are self healinghealing can be established. In a practical supramolecular polymer nanocomposites.way, this is done by developing They consist of a dynamic physicallysupramolecular thermoplastic polymer as cross-linked polymer network that ismatrix material, and attaching this matrix to reinforced by inorganic nanoparticles. Thethe (glass) fibres of the composite. polymeric part takes care of self healing as aSomewhat above room temperature the result of the high mobility level at asupramolecular polymers are present as molecular scale, whereas the nanoparticleslong chains. At higher temperatures, but give the system mechanical strength andbelow 100 °C, these chains break at the stiffness. As the self healing concept - purelyhydrogen bonds, rendering shorter-chained based on polymer dynamics and physical 32 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 33
  18. 18. interactions - is built into the material itself, emulsions. The alginate forms the solid Self healing materials for such materials can repair themselves an matrix of the capillary, whereas the bone substitutionunlimited number of times. Envisaged compartments are filled with ‘oily’applications are the use as the matrix of ortho-dichlorobenzene. Testing of Nature is the source of inspiration for many blood vessels. With this strategy, newfibre-reinforced composite panels. compartmented alginate fibre (diameter ~ self healing processes in artificial, man- mineralized composites will be generated 350 µm) containing 45 weight per cent of made materials. As damaged bone can be by mimicking natural bone self healing, by aIn a different approach for self healing in ortho-dichlorobenzene embedded in epoxy healed repeatedly, bone can be considered carefully controlled cooperation with thecomposite materials, moulded-in shape resin with 30 per cent fibre content shows as the ultimate self healing material. From local biological environment.memory alloy wires are used. The shape that the theoretical concept is proven. an engineering point of view, bone tissue ismemory effect, caused by a thermo-elastic In future steps, to develop a more practical a nanocomposite consisting of collagen Peptide or polysaccharide based biologicalphase transformation, results in contraction system, two-component epoxy glues can be (natural proteins) reinforced by nanosized macromolecules have a high affinity forof pre-strained wires upon heating. used instead of the ortho-dichlorobenzene. calcium phosphate crystals. Bone tissue calcium ions, and show that effectiveThis contraction is used to put a continuously adapts to changing cross-linking with calcium can be achievedcompressive force onto both sides of the mechanical and biochemical conditions in in nature. A challenge is to translate thisdelaminated area, while - due to the heating the human body by controlling the cellular biological phenomenon to man-made- the thermoplastic matrix material is soft activities of osteoblasts (bone-forming cells) materials, and to develop synthetic calciumand ductile and, hence, easy to reshape. and osteoclasts (bone-resorbing cells), cross-linkable polymers that can be used toIn this way a pure physical healing occurs. enabling self healing of this natural create self healing gels. But that’s not all. By material in response to injury. encapsulating the calcium - that is requiredHealing of fibre-reinforced composites can Part of the self healing mechanism of for gel formation - in well-chosenalso be performed if a part of the natural bone is the calcification of the microcapsules, its release can be triggeredreinforcing fibres is replaced by continuous extracellular matrix - connective tissue to control and time the self healing process.hollow glass capillaries containing a healing surrounding and supporting cells in Nature as source of inspiration for selfagent. After failure of the matrix and mammalian tissues. Calcification takes healing gels.capillaries, the healing agent will be place under strong control of the cells inreleased to do its repairing task. However, as so-called matrix vesicles (size 40 to 200 nm) A less biologically inspired way to healthese capillaries are continuous and long as initial sites of mineralization. human bone is by repairing microcracks inreservoirs, they will be drained completely To incorporate the magnificent self healing artificial bone cement. Polymethylinto the damaged region. In case of a future aspects of natural bone tissue in a concept methacrylate (PMMA) bone cement candamage, the previously drained healing for bone replacing materials, the above become self healing by incorporatingagent can no longer be used. This issue can calcification step can be used as starting microcapsules with a healing agent.be overcome by dividing the continuous point. In this approach, synthetic vesicles Although a proof of principle has beenhollow capillary in compartments, allowing called microcapsules release bioactive shown, the conditions under which loadingcontrolled release of healing agent on a growth factors and bone mineral. is effective still have to be determined.local scale. In this way it would be possible They are combined with injectableto repair small damages several times. thermosensitive polymers with the aim toLiquid containing fibres are spun from realize in situ mineralization, andortho-dichlorobenzene - H2O Na+ alginate incorporation of cells that form bone and 34 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Self healing materials | concept and applications | 35

×