2. reface
P Voorwoord
Sometimes, reality goes beyond fantasy. De werkelijkheid overtreft soms de fantasie. micro-elektronica, energieopwekking en
This is certainly the case for self healing Dat geldt zeker voor zelfherstellende energieopslag zoals zonnecellen en
materials: materials which are capable of materialen: materialen die in staat zijn, min batterijen. Het onderzoek vindt plaats aan
making cracks and scratches disappear in a of meer zelfstandig en autonoom, scheuren vijf Nederlandse universiteiten en streng
more or less independent and autonomous en krassen te doen verdwijnen. Nederland geselecteerde Nederlandse en buitenlandse
way. The Netherlands are among the energy generation and energy storage such behoort tot de koplopers op dit terrein! onderzoeksinstellingen. Zij zullen er samen
front-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 worden
Self 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 als
top sectors such as chemistry, high-tech and with the companies involved - that the chemie, hightech en energie. De Dat blijkt nu al. AkzoNobel heeft een
energy. The development of the self healing results really will be applied. ontwikkeling van het zelfhelende vermogen zelfherstellende autolak op de markt
capacity of materials as asphalt, concrete van materialen zoals asfalt, beton en gebracht. Heijmans heeft een proefstrook
and coatings is a great technological And that pays off already. AkzoNobel has coatings is een fantastische technologische van 300 meter zelfherstellend asfalt
innovation. 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 KLM
to sustainable manufacturing and Heijmans applied a test strip of 300 meters geven aan duurzame productie en bouw. Air France is betrokken bij de ontwikkeling
construction, 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 voor
road, 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 onder
under 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 het
This is why The Netherlands have already Daarom voert Nederland al zes jaar een onderzoek naar zelfherstellende materialen
conducted 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 voor
national research program, in cooperation booklet on self healing materials research programma uit, in samenwerking met ruim zorgen dat we onze internationale
with about 65 companies. The Dutch in The Netherlands. Together, let’s see to it 65 bedrijven. Het Nederlandse toppositie en topsectoren verder
Innovation 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 de
with the development of self healing ontwikkeling van zelfherstellende
properties of five different material classes: eigenschappen van vijf verschillende
polymers and composites, concrete and Maxime Verhagen materiaalklassen: plastics en composieten, Maxime Verhagen
asphalt, coatings, metals and ceramics, and Vice-premier and Minister of Economic beton en asfalt, coatings, metalen en Vicepremier en Minister van Economische
finally 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. 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. 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. 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 van
meteorite punches a small hole in the wall examples in nature: wounds that apparently soortgelijke verschijnselen. Denk maar aan
of the spacecraft, and oxygen flows out ... autonomously stop bleeding, or broken wondjes die schijnbaar uit zichzelf stoppen
but miraculously, within seconds the hole bones that heal after some time. The ‘only’ met bloeden, of gebroken botten die na
closes up. Science fiction? Currently yes, thing that is necessary is to transfer these enige tijd vanzelf genezen. Het ‘enige’ wat
but it may become reality sooner then you tricks from nature to man-made materials. hoeft te gebeuren, is deze reparatietrucs
think. 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. 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 prevention
Over thousands of years, people have tried to exclude (small) cracks and other defects. Traditionele materialen: min mogelijk scheurtjes en andere
make 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 breuken
But 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 ze
these materials have been manufactured disappear. At a certain moment an action goed stand houden in hogere gebouwen Deze methode van schadepreventie is in het
too 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 bruikbaar
manufacturing 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 kunt
less cracks and other defects as possible are well as repairing can be time consuming – Deze betere eigenschappen werden (kleine) scheurtjes en andere oneffenheden
being introduced into the material at the and hence expensive – steps. verkregen door te zorgen dat spontane nooit helemaal uitsluiten. Dit houdt in dat
start. In a later stage – when the product is gebruiksschade aan het materiaal tijdens dit je de producten en structuren die je van
being 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 verdere
destroy the product eventually. autonomously, without external daarom te goed gemaakt. Dit gebeurde ontwikkeling van deze schade te
This damage prevention approach has been interference: a self healing material. vooral door het productieproces te controleren. En als zo’n beschadiging - hoe
very 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. 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 stenen
Materials which are able to heal themselves the lime deposits inside the crack. This will bruggen en aquaducten uit de Romeinse tijd
have a long history. See, for instance, the continue until the crack is completely filled is nog steeds behoorlijk goed, ondanks dat
constructions of ancient Romans, which still up – and the bridge is repaired locally. This ze er al eeuwen liggen. Het geheim zit ‘m
can be admired nowadays; a masterly shows that a material does not necessarily in het ‘cement’ - op basis van vulkanisch as
example, indeed. The state of stone bridges have to be strong to realize a self healing en kalk - dat de oude Romeinen bij hun
and aqueducts from the Roman age is still effect. Indeed, the ‘Roman mortar’ is bouwwerken gebruikten om stenen aan
quite good, despite the fact that they have mechanically weaker than mortar that is elkaar te metselen. En juist deze kalk in het
been 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 zelfherstellende
the ancient Romans used in their than 2000 years. The same mechanism is eigenschappen mee. Want deze kalk lost
constructions to glue the bricks together: it applicable to old bridges in the cities of op in regenwater, en kan zo naar een andere
has some self healing characteristics. Amsterdam, Utrecht and Delft, which are plaats sijpelen. Bijvoorbeeld naar een
Lime dissolves in rain water, and can seep to ‘only’ a few hundred years old. scheurtje in het bouwwerk dat het kalk
another place, for example, to a crack within bevattende water aanzuigt. Als het water
the construction that sucks in the lime- verdampt, dan vormt de kalk een afzetting
containing 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. 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 - langzaam
Self healing materials are inspired by a small scale. Meanwhile, self healing weer dicht. Het bestanddeel bitumen Zelfherstellende materialen vinden hun
nature. 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 ware
counterparts of a tree, which can heal in ‘materials world’. What demands should Dit is het viskeuze, op teer lijkende de kunstmatige tegenhangers van een boom
damage 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 kan
or a cut in a finger, which seemingly themselves? voor de steentjes en grind in het asfalt. herstellen, of een snee in de vinger die
spontaneously 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 geen
the material is able to repair the damage herstellende materialen al op kleine schaal probleem te zijn, als dit materiaal maar
itself. 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 van
formation of the damage. Such a material gevolg zouden kunnen krijgen. de schade maar wordt tegengewerkt door
should combine an optimum of mechanical Zelfherstellende materialen hebben een proces waarbij deze schade wordt
strength 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. 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 wilt
Materials performance as a function of time. Traditional materials only accumulate
maken moet je ervoor zorgen dat ontstane
damage 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 laat
ginal. Self healing materials may show some early deterioration, yet its self healing
de lege ruimte van de scheur opvullen met
character 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. 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 zelfherstel
structural material is its ability to perform its combination of detection and repair. In a detecteren en repareren. Het materiaal eenvoudiger verloopt als de oppervlakken
regular, 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 als
shape maintenance - under all conditions. damaged somewhere, and it has to respond beschadigd is, en hierop actie ondernemen. ze hiertoe gedwongen worden zoals bij een
This 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 niet
should consist mainly of constituents – the material itself. After detection of the zitten. Na detectie van de beschadiging door het hele materiaal lopen kunnen
arrangements 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 bij
properties. 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 gedeelte
healing material does not differ much from initiating a (curing) reaction. The ‘sensor’ een (uithardende) reactie te starten. dat (nog) niet gescheurd is. Ook gaat het
its 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 van
For 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 de
and 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 toe
or 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 zullen
necessary to fill up the empty space of the die er uiteindelijk voor zorgt dat de wond dan ook hoge ogen gooien bij toepassingen
crack with ‘something’ that has to make the The process of self healing will be easier stopt met bloeden. onder wisselende belasting. Denk maar aan
material just as good as before the damage. when the surface areas of the crack are het eerder genoemde voorbeeld dat overdag
And 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 minder
means 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 somewhat
Hence, a fraction of the atoms the material together. Furthermore, self healing will be
is composed of has to be mobile over a large easier when the crack-causing load vanishes
or small distance, to fill up the local crack. occasionally, so that the crack surfaces move
But there is more: when these ‘mobile species’ again towards each other. A key application
have 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 cracks
of 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. In practice De praktijk
The development of man-made self healing Innovation. The program aims to explore De ontwikkeling van zelfherstellende Op kleine schaal zijn ‘nieuwe’ zelf
materials has expanded enormously in the new pathways to realize self healing materialen die door de mens gemaakt zijn, herstellende materialen inmiddels al
past decennium. A landmark in this respect polymers, metals, concrete, asphalt, heeft in het afgelopen decennium een commercieel verkrijgbaar. Denk hierbij aan
is an American example of 2001, where composites and coatings. The results up to vlucht genomen. Het vakgebied is in 2001 zelfherstellende autolakken waarbij kleine
microcapsules 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 zon
microcapsule on its pathway ruptures the new material types. werden ingebed. Mocht er een scheur in het plaatsen, aangezien de zonnewarmte
capsule, and its liquid content fills the materiaal komen die zo’n bolletje op haar verantwoordelijk is voor het spontaan laten
crack. 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 die
and 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 scheur
Netherlands also carries out pioneering in the sun, as solar heat is responsible for zijn weer verbonden en de scheur
work in this respect. In 2006 the Innovation the ‘spontaneous’ disappearance of the is effectief verdwenen.
Oriented Research Program Self Healing scratches. Furthermore, self healing ski
Materials (IOP-SHM) started, financially goggles are on the market which become Na dit baanbrekende werk hebben de
supported by the Dutch Ministry of scratch-free after one night on the radiator. ontwikkelingen niet stilgestaan. Nederland
Economic 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. 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 de
durability 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 en
2 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-opslag
3 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 de
5 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 van
6 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. 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. 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 reacties
polymers by micro-encapsulated healing the world’s plastic consumption consists of materialen is in 2001 in een stroom Binnen de organische chemie is een
agents and solid catalysts, both embedded in thermoplastic materials, the importance of versnelling gekomen met het baanbrekende Diels-Alder reactie een koningin onder de
the polymer matrix, has limited use. healing these materials is self-evident. werk van de Amerikaan Scott White. reacties. Met relatief weinig energie is het
This 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 grote
microcapsules on mechanical properties and (like polystyrene or polymethyl methacrylate) polymeren zichzelf konden repareren diversiteit aan gefunctionaliseerde en
the 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 materialen
approach for autonomous healing of containing well-selected polymer solvents opnemen. Een scheurtje dat in het materiaal zo interessant maakt, is dat je de reactie
polymer networks is based on cross-linking (such as dichlorobenzene). When a crack begon en zich verder ontwikkelde vond kunt omkeren door de temperatuur te
induced 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 reactanten
completely unreactive until activated - by Solvent is released into the crack, where it de scheur. De lijm hardde vervolgens uit terugkrijgt die - bijvoorbeeld na afkoelen
removing 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 een
a 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 manier
the most ideal case, when the local stresses polymer mobility causes re-entanglement of Om de mechanische schade van polymeren toepast op polymeren, dan kun je
have been removed, the polymer-bound the polymer chains. The material is healed te repareren kun je verschillende reversibele (omkeerbare) polymerisatie vele
ligand would reconnect to the metal, to form when the solvent diffuses out or evaporates. benaderingen gebruiken. Een reparatiestap malen herhalen en zou je een polymeer
again the latent, ‘sleeping’ catalyst that is Healing of thermoplastics is a physical op microscopisch niveau - zeg maar: de zichzelf kunnen laten herstellen. Zo kan een
ready 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 twee
As 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 één
of cross-links. In this way, stresses in the filled with a high boiling solvent encapsulated Polymere materialen kunnen zich op dubbele binding en twee carbonylgroepen
polymer 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 gebrugde
induced 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 van
decomposition 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 de
three- 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. 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 reaction
TU 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. 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 wall
Universiteit Twente
30 | IOP Self healing materials | concept and applications IOP Zelfherstellende materialen | van idee tot realiteit | 31
17. Damage healing in fibre-reinforced Kunststof composieten
composites
Voor vezelversterkte composieten
Applications in aerospace and automotive supramolecular polymers. When a crack is - zoals koolstofvezels ingebed in een
use light, strong and stiff structures made of present in the matrix part of the composite, epoxymatrix - zijn weer hele andere
continuous fibre-reinforced composites. it will be healed by increasing the herstelprocessen mogelijk. Want als je naast
The lifetime of these composites - usually temperature, as this results in breaking of koolstofvezels ook holle glasvezels in het
glass or carbon fibres embedded in an epoxy the hydrogen bonds, leading to shorter materiaal opneemt, dan kun je hierin
resin matrix - is strongly influenced by polymers, which behave liquid-like and flow reactieve herstellende vloeistoffen opslaan
delamination of layers that make up the to the void of the crack. The crack becomes die bij breuk van het materiaal - en dus van
composite material, or by matrix cracks in smaller and vanishes eventually. When the de glasvezels - met elkaar reageren. Net als
these layers after impact. Delamination in healing is completed, the temperature can bij bloedvaten kan door een stelsel van
these composite materials is normally not be lowered to ‘normal’ conditions. holle vezels de toevoer van herstelmiddel
visible on the outside. Conventional ways to The possibilities and limitations of veel groter zijn dan wanneer je te maken
repair thermoplastic matrices in composites supramolecular polymers in composite hebt met locaal ingebedde, afzonderlijke
are mainly applicable to external and materials will be explored further. capsules. Bovendien kun je zo grotere
accessible damages, instead of internal and gebieden herstellen waar onthechting
invisible microcracks. - het van elkaar loslaten van de lagen
waaruit een composiet is opgebouwd -
Internal delamination and matrix cracks of matrixbreuk is opgetreden. Voor veel
need an unconventional solution, and one toepassingen van composieten in de lucht-
approach is the autonomous healing of en ruimtevaart is de initiële sterkte van
composite materials using supramolecular G.v.d. Veen/H.H een composiet veel minder van belang
polymers where fourfold reversible hydrogen als ontwerpparameter dan de sterkte
bonds are present between na impact.
ureidopyrimidinone (UPy) dimers.
By breaking and restoring the relatively
weak hydrogen bonds between the dimers, Somewhat related are self healing
healing can be established. In a practical supramolecular polymer nanocomposites.
way, this is done by developing They consist of a dynamic physically
supramolecular thermoplastic polymer as cross-linked polymer network that is
matrix material, and attaching this matrix to reinforced by inorganic nanoparticles. The
the (glass) fibres of the composite. polymeric part takes care of self healing as a
Somewhat above room temperature the result of the high mobility level at a
supramolecular polymers are present as molecular scale, whereas the nanoparticles
long chains. At higher temperatures, but give the system mechanical strength and
below 100 °C, these chains break at the stiffness. As the self healing concept - purely
hydrogen 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. 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 substitution
unlimited 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, new
fibre-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 a
In a different approach for self healing in ortho-dichlorobenzene embedded in epoxy healed repeatedly, bone can be considered carefully controlled cooperation with the
composite 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 is
memory effect, caused by a thermo-elastic In future steps, to develop a more practical a nanocomposite consisting of collagen Peptide or polysaccharide based biological
phase transformation, results in contraction system, two-component epoxy glues can be (natural proteins) reinforced by nanosized macromolecules have a high affinity for
of pre-strained wires upon heating. used instead of the ortho-dichlorobenzene. calcium phosphate crystals. Bone tissue calcium ions, and show that effective
This contraction is used to put a continuously adapts to changing cross-linking with calcium can be achieved
compressive force onto both sides of the mechanical and biochemical conditions in in nature. A challenge is to translate this
delaminated 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 calcium
and ductile and, hence, easy to reshape. and osteoclasts (bone-resorbing cells), cross-linkable polymers that can be used to
In 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 required
Healing of fibre-reinforced composites can Part of the self healing mechanism of for gel formation - in well-chosen
also be performed if a part of the natural bone is the calcification of the microcapsules, its release can be triggered
reinforcing 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 self
agent. 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 in
released to do its repairing task. However, as so-called matrix vesicles (size 40 to 200 nm) A less biologically inspired way to heal
these capillaries are continuous and long as initial sites of mineralization. human bone is by repairing microcracks in
reservoirs, they will be drained completely To incorporate the magnificent self healing artificial bone cement. Polymethyl
into the damaged region. In case of a future aspects of natural bone tissue in a concept methacrylate (PMMA) bone cement can
damage, the previously drained healing for bone replacing materials, the above become self healing by incorporating
agent 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 been
hollow capillary in compartments, allowing called microcapsules release bioactive shown, the conditions under which loading
controlled 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 injectable
to repair small damages several times. thermosensitive polymers with the aim to
Liquid containing fibres are spun from realize in situ mineralization, and
ortho-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
