一种基于MXene的导电有机硅弹性体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种基于MXene的导电有机硅弹性体及其制备方法与应用，通过氨基与羧基的脱水反应和氨基与异氰酸酯的加成反应，在含氨基功能化的聚硅氧烷衍生物A中引入了二硫键和多重氢键得到含二硫键和多重氢键的聚硅氧烷衍生物C；通过酯化反应采用含羧基的瓜氨酸D对MXenesE进行改性，得到含酰胺键的改性MXenesF，将含二硫键和多重氢键的聚硅氧烷衍生物C和含酰胺键的改性MXenesF进行复合，获得基于MXene的导电有机硅弹性体。其具有高效的室温自愈能力、出色的力学性能、优秀的导电能力和敏感的传感能力。可应用于柔性传感、电子皮肤、可穿戴电子产品和软体机器人中的应用。可穿戴电子产品和软体机器人中的应用。可穿戴电子产品和软体机器人中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene的导电有机硅弹性体及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于柔性复合材料领域，特别涉及一种基于MXene的导电有机硅弹性体及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]随着高分子复合材料的不断发展，在人们的日常生活中各种柔性复合导电器件的需求量愈发增多，其中最为突出的研究领域自当是柔性传感器、电子皮肤、可穿戴电子产品、软体机器人等方向，各种柔性复合导电器件往往需要具备良好的导电性、可拉伸和可自愈的能力。其中，有机硅复合材料作为一种高分子复合材料，由于其拥有出色的化学稳定性、热力学稳定性，且在较宽温度范围内具有优异的柔韧性，是进一步开发为各种柔性电子器件的理想平台。
[0004]传统的有机硅导电复合材料往往通过将纳米材料在有机硅中填充导电纳米粒子可以构建导电网络，弹性体良好的界面相容性可形成均匀的导电复合材料。但绝大部分导电填料的加入会严重影响柔性传感器的柔韧性、自修复等综合性能，从而限制其在某些方面的应用。例如专利CN111393651A公开了以一种自修复聚硅氧烷弹性体作为基体的可拉伸电子材料，该材料的导电填料(多壁碳纳米管或银纳米线等)以分散液的形式以喷涂的方式附着在聚硅氧烷弹性体的表面。通过这种物理方法喷涂在有机硅材料上复合成有机硅导电材料，不具备自修复性能，一旦材料破损，就无法继续应用。另一方面在拉伸方面会造成材料的导电性不稳定。
[0005]基于可逆共价键(二硫键、亚胺键、硼氧键和可逆D
‑
A反应等)或动态相互作用(氢键、金属配位键等)将导电纳米材料引入有机硅体系中，可以成功制备具有自修复功能的有机硅导电复合材料。例如：CN112932412A公开了一种基于多重可逆键合作用自粘附电子皮肤及其制备方法与应用，将甲酰基苯硼酸、多羟基苯甲醛、端氨基预聚物溶解在有机溶剂，在室温至90℃下反应30min～72h后，加入金属盐进行配位，所得聚合物溶液浇注在导电层上，去除溶剂，得到聚合物弹性体；在导电层两端连接柔性电极，得到自粘附电子皮肤。CN112175399A公开了一种柔性可修复导电有机硅复合材料及其制备方法与应变传感器应用，利用含儿茶酚残基的单体衍生物B通过Schiff碱反应改性含氨基聚硅氧烷衍生物A和氨基改性的多壁碳纳米管D分别得到含亚胺键和儿茶酚残基的聚硅氧烷衍生物C和含亚胺键和儿茶酚残基的改性多壁碳纳米管E，将含亚胺键和儿茶酚残基的聚硅氧烷衍生物C和含亚胺键和儿茶酚残基的改性多壁碳纳米管E进行复合，并且加入氯化锌，搅拌并超声后获得基于氢键、金属配位键和亚胺键的有机硅复合材料。CN112062970A公开了一种自修复碳纳米管
‑
有机硅复合弹性体及其制备方法和应用，所述自修复碳纳米管
‑
有机硅复合弹性体原料包括氨基封端的聚二甲基硅氧烷、二异氰酸酯和羧基化碳纳米管，复合弹性体中形成可逆
的强弱多重氢键，不仅可以作为弱动力键消耗应变产生的能量，使弹性体表现出优异拉伸性能，而且还可以快速修复裂纹，拥有优异的自修复性；同时，羧基化碳纳米管的引入进一步增强了氢键作用，赋予了应变传感器优异的导电性及灵敏的传感性能。然而，作为一种新型的二维过渡金属碳化物和碳氮化物MXene很少用于化学反应来制备导电复合材料。二维层状材料MXene因其良好的热稳定性、导电性已逐渐应用于电子领域。此外，通过引入生物小分子对纳米材料表面进行修饰，使材料表面含有丰富的官能团，与聚合物基底之间形成氢键为纳米导电材料在基体中的均匀分散提供了更好的机会。专利技术人发现：材料的导电性、传感性能和自修复能力还有研究空间。为进一步提高材料的室温自愈能力、力学性能、导电能力和传感能力，提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的上述问题，本专利技术提供了一种基于MXene的导电有机硅弹性体及其制备方法与应用。本专利技术优选采用2
‑
氨基
‑4‑
羟基
‑6‑
甲基嘧啶和六亚甲基二异氰酸酯生成2(6
‑
异氰酸酯己基氨基羰基氨基)
‑6‑
甲基
‑
4[1H]嘧啶酮(UPy
‑
NCO)。然后将含有二硫键的羧酸类衍生物B(例如：2,2
′‑
二硫代二苯甲酸)和UPy
‑
NCO引入氨基功能化的聚硅氧烷A，从而制备含有多重可逆键的聚硅氧烷衍生物C。通过用L
‑
瓜氨酸D对MXenesE进行改性使得MXenes能通过氢键作用均匀分散在C聚合物网络中。本专利技术制备方法简单高效、实用性强，易于推广。在多种可逆且强弱不同的化学键的作用下，赋予有机硅复合材料高效的室温自愈能力和出色的力学性能，由于改性MXenes的帮助，有机硅复合材料还具备优秀的导电能力和敏感的传感能力；本专利技术制备方法绿色简便，适合大规模生产。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的第一个方面，提供了一种基于MXene的导电有机硅弹性体的制备方法，包括：
[0009]采用含异氰酸酯基的UPy
‑
NCO以及含有羧基和二硫键单体衍生物B对含氨基功能化的聚硅氧烷衍生物A进行改性，得到含二硫键和多重氢键的聚硅氧烷衍生物C；
[0010]采用含羧基的天然小分子D对MXenesE进行改性，得到含酰胺键的改性MXenesF；
[0011]将所述含二硫键和多重氢键的聚硅氧烷衍生物C与含酰胺键的改性MXenesF复合，得到柔MXene的导电有机硅弹性体。
[0012]本专利技术研究发现：采用由永久性共价键交联方式制备的有机硅共价键交联网络，虽然具有较好的机械性能，但此类材料自修复性能差、制备工艺复杂。为此，本专利技术利用氨基与羧基的脱水反应以及氨基与异氰酸酯的加成反应，在动态超分子网络中引入了含有二硫键的羧酸类衍生物和含有多重氢键的UPy
‑
NCO。此外，通过酯化反应用天然小分子L
‑
瓜氨酸修饰MXenes，通过氢键相互作用均匀分散在聚合物网络中使材料具有良好的导电性以及优秀的传感性能。
[0013]本专利技术的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的柔MXene的导电有机硅弹性体，所述柔MXene的导电有机硅弹性体的分子量的范围为：3000
‑
90000。
[0014]与现有技术相比，本专利技术制备的柔MXene的导电有机硅弹性体具有高效的室温自愈能力、出色的力学性能、优秀的导电能力和敏感的传感能力。
[0015]本专利技术的第三个方面，提供了上述的柔MXene的导电有机硅弹性体在制造柔性传
感、电子皮肤、可穿戴电子产品和软体机器人中的应用。
[0016]由于本专利技术的柔MXene的导电有机硅弹性体在兼具良好的室温自愈能力、力学性能、导电能力和传感能力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene的导电有机硅弹性体的制备方法，其特征在于，包括：采用含异氰酸酯基的UPy
‑
NCO以及含有羧基和二硫键单体衍生物B对含氨基功能化的聚硅氧烷衍生物A进行改性，得到含二硫键和多重氢键的聚硅氧烷衍生物C；采用含羧基的瓜氨酸D对MXenesE进行改性，得到含酰胺键的改性MXenesF；将所述含二硫键和多重氢键的聚硅氧烷衍生物C与含酰胺键的改性MXenesF复合，得到柔MXene的导电有机硅弹性体。2.根据权利要求1所述的基于MXene的导电有机硅弹性体的制备方法，其特征在于，所述的含异氰酸酯基的UPy
‑
NCO，具有如下结构：优选的，所述的含异氰酸酯基的UPy
‑
NCO是采用2
‑
氨基
‑4‑
羟基
‑6‑
甲基嘧啶和六亚甲基二异氰酸酯反应得到。3.根据权利要求1所述的基于MXene的导电有机硅弹性体的制备方法，其特征在于，所述含有二硫键的羧酸类衍生物B的结构单元通式如下：其中，R3为—(CH2)
z
—或—(C6H6)
z
—，z为自然数；优选的，含有二硫键的羧酸类衍生物B为：2,2
′‑
二硫代二苯甲酸：或2,2
′‑
二硫代二丙酸：4.根据权利要求1所述的基于MXene的导电有机硅弹性体的制备方法，其特征在于，所述含氨基功能化的聚硅氧烷衍生物A为支链型聚二甲基氨基硅氧烷或支链型聚甲基氨基硅氧烷中的至少一种；优选的，所述含氨基功能化的聚硅氧烷衍生物A的分子量为1000～30000；优选的，所述氨基功能化的聚硅氧烷A的结构单元通式如下：其中，a和b为大于零的自然数；R1通常为甲基、苯基或者三氟丙基；R2的结构式为y＝0～10。
5.根据权利要求1所述的基于MXene的导电有机硅弹性体的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘月涛，王哲，张德金，张凯铭，高传慧，武玉民，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：