Self-healing polymers and additive manufacturing

This thesis work aims at manufacturing and characterizing self-healing polymers based on embedded microvascular networks. The samples are realized by resin casting into water-soluble PVA moulds, fabricated via 3D printing. This technology allows to exploit the 3D printers’ ability of producing complex structures with high resolution for the creation of scaffolds, from whose dissolution microchannel networks are created. The different microstructures used are characterized using computerized X-ray Microtomography and stereoscopic imaging, while the different crosslinked resins used are characterized by differential scanning calorimetry. The two reacting components of a two parts resin can be stored separately within the microstructure. The material self-healing ability results from their reaction when a severe damage causes the healing liquids to leak out, wetting the sample cross-section and diffusing one into the other. Healing liquids are characterized by rheological tests. The mechanical properties of healed samples after one cycle of damage and healing are instead investigated by means of uniaxial tensile tests and compared to those of undamaged samples with empty microchannels. A full self-healing process at room temperature is also experimented on one of the best performing resins. The effect of microchannels density and of different network designs onto the self-healing efficiency is determined. The versatility of the fabrication technique presented in this work allows to convert any water-resistant resin into a self-healing polymeric structural composite.

Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo la produzione e caratterizzazione di polimeri autoriparanti basati su sistemi microvascolari. I campioni sono realizzati attraverso colata di resina polimerica all’interno di stampi idrosolubili in polivinil alcol (PVA) prodotti mediante una stampante 3D FDM. Questa tecnica produttiva sfrutta appieno l’abilità delle stampanti 3D di generare forme geometriche complesse ad alta risoluzione e controllate digitalmente per la creazione di controforme che, una volta sciolte, permettono la creazione dei microcanali. Le differenti microstrutture così realizzate sono caratterizzate mediante microtomografia computerizzata a raggi X e stereoscopia ottica, mentre le varie resine reticolate utilizzate in questo lavoro sono state caratterizzate mediante calorimetria differenziale a scansione. All’interno della microstruttura vascolare creata è possibile flussare separatamente i due componenti delle resine che, conseguentemente alla rottura dei campioni in due metà, fuoriescono dalla nuova sezione creata e, mescolandosi, ne causano l’autoriparazione. I differenti componenti liquidi utilizzati per promuovere questo fenomeno sono caratterizzati mediante analisi reologiche. Le proprietà meccaniche dei campioni con microcanali vuoti di riferimento e dei campioni autoriparati, dopo un singolo ciclo di danneggiamento e autoriparazione, sono testate invece mediante prove a tensione uniassiale. Oltre alle prove di autoriparazione in temperatura, una delle resine con le migliori prestazioni è stata testata sfruttando un processo di autoriparazione a temperatura ambiente. L’effetto della densità di microcanali e dei diversi design dei sistemi microvascolari è infine correlata con l’efficienza di autoriparazione dei campioni e delle diverse resine reticolate. La versatilità della tecnica di fabbricazione presentata in questo lavoro permette di convertire qualsiasi resina non idrosolubile in un composito strutturale con proprietà autoriparanti.