基于氨基PDMS本征型自修复弹性体的制备及性能研究

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聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)弹性体是一种重要的有机硅材料,由于其独特的物理化学性质而被广泛应用于柔性传感器、电子皮肤、生物医学等领域。但是由于传统的PDMS弹性体的力学性能相对较弱,它们在使用过程中很容易受到损坏,另外由于体系中不可逆的交联结构,目前大多数聚硅氧烷材料在受损后往往无法恢复其原始功能,因此开发具有自修复性能和可循环加工性能的有机硅材料对于延长其使用寿命,减少资源浪费具有非常重要的意义。本文以商用氨基PDMS为主要原料,通过引入动态亚胺键,与聚硼硅氧烷(Polyborosiloxane,PBS)结合,构建PBS/PDMS双网络聚合物体系,以及设计亚胺-硼氧六环双交联结构,制备了多种本征型自修复PDMS基透明弹性体,并通过与银纳米线(AgNW),碳纳米管(CNT)复合制备应变传感器,探索了其在人体活动监测方面的应用前景。(1)将可逆亚胺键引入到PDMS网络中,制备了自修复PDMS弹性体(HPDMS)。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR),拉曼光谱(Raman)和核磁共振氢谱(1H NMR)等表征手段确定了体系中席夫碱反应的发生以及亚胺键的形成。研究了对苯二甲醛浓度对弹性体形成的影响,发现对苯二甲醛浓度越高,席夫碱反应越迅速。紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)、热重分析(TGA)和差示扫描量热(DSC)结果表明HPDMS具有较高的可见光透过率,良好的热稳定性以及较低的玻璃化转变温度Tg。自修复性能研究表明HPDMS弹性体能够在多种复杂环境下实现自修复过程,室温修复1 h,自修复效率可达97%以上,而且弹性体能够在室温下进行循环回收加工,回收后样品的力学性能可达原始样品的95%以上。通过与Ag NW复合制备了HPDMS/Ag NW应变传感器,传感器具有良好的导电自修复性能,且对手指的弯曲表现出较高的响应性,循环稳定性良好。(2)将聚硼硅氧烷(PBS)引入到HPDMS网络中构建了PBS/PDMS双网络自修复有机硅弹性体。通过FTIR,Raman和1H NMR等表征手段确认了体系中亚胺键和硼氧键的生成。TGA结果表明通过引入PBS,弹性体的热分解温度提升了37°C。DSC和UV-Vis结果表明PBS/PDMS弹性体拥有较低的Tg以及较高的光学透过率。对弹性体进行了吸湿性和力学性能研究,证明弹性体在潮湿环境中仍具有较高稳定性,交联剂含量和拉伸速率对力学性能有较大影响。弹性体表现出优异的自修复性能和可回收加工性能,室温下修复4 h,自修复效率可达98%,弹性体被循环回收2次后,其拉伸强度仍可达原来的85%以上。通过抽滤转移法将CNT转移到PBS/PDMS上制备了PBS-PDMS/CNT应变传感器,传感器具有良好的导电自修复性能,切断修复3次后,导电自修复效率可达97%,且对手指的弯曲角度表现出较高的循环响应性。(3)通过氨基和醛基之间的席夫碱反应以及有机硼酸三聚体之间脱水作用,将亚胺键和硼氧六环结构引入到PDMS网络中,制备了四种双交联的自修复弹性体(PDMS-APB、PDMS-3FPB、PDMS-4FPB和PDMS-FPB)。通过FTIR和1H NMR等表征手段证明了体系中亚胺键和硼氧六环结构的存在。UV-Vis结果表明PDMS-3FPB,PDMS-4FPB和PDMS-FPB的光学透过率大于82%。TGA和DSC结果表明,PDMS-FPB拥有较高的热分解温度以及较低的Tg。对力学性能以及流变性能研究表明交联剂含量、拉伸速率以及样品标距对弹性体的力学性能有明显影响,随着交联剂含量增加,弹性体的弹性模量和粘性模量均有增加。另外,由于可逆亚胺键和硼氧六环结构的存在,双网络弹性体表现出优异的自修复性能和可循环加工性能。以PDMS-APB聚合物为基础,通过与CNT复合,制备了PDMS-APB/CNT自修复导电弹性体,弹性体具有导电自修复性能且可实时监测手指、手腕、手肘的弯曲状态,循环稳定性良好。
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