一种高韧性可自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自修复聚硅氧烷弹性体，所述聚硅氧烷弹性体以氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷、二异氰酸酯和碳酰肼为原料进行反应制得。本发明专利技术还公开了上述聚硅氧烷弹性体的制备方法。本发明专利技术在聚合过程中加入的碳酰肼可以在弹性体当中构建十重氢键结构，提高弹性体的交联强度和力学性能。实施例结果显示弹性体的拉伸强度从0.41MPa提升到2.4MPa,断裂伸长率由1252％提升到1650％，韧性由3.5MJ

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性可自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法


[0001]本专利技术属于高分子智能材料领域，具体涉及一种具有十重氢键结构的自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法。

技术介绍

[0002]弹性体由于其具有弹性好、韧性大、可塑性强等特点，成为工业上不可或缺的一部分。近些年来随着智能领域的发展，弹性体在电子皮肤、柔性电子设备、软机器人等方面也得到了广泛应用。常见的弹性体例如聚氨酯(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。上述弹性体材料在使用过程中不可避免的发生损坏，导致材料的性能下降甚至丧失，缩短材料的使用寿命，安全性也面临重大考验。
[0003]为解决上述问题，自修复在近年来受到广泛关注，已经成为新兴智能领域研究的热点。随着自修复研究的不断发展，也暴露出许多关键性问题。机械性能是评价材料的重要标准。同时保证优异的自修复能力与机械性能是一项重大挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是提供一种具有优异机械性能与自修复功能的聚硅氧烷弹性体及其制备方法，本专利技术的聚硅氧烷弹性体断裂伸长率可达到1650％，拉伸强度1.97MPa，韧性22.20MJ
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‑3，并且材料的自修复效率可达到93.7％。
[0005]为实现上述目的，本专利技术第一方面提供如下技术方案：
[0006]一种自修复聚硅氧烷弹性体，所述聚硅氧烷弹性体以氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷(NH2‑
PDMS
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NH2)、二异氰酸酯和碳酰肼为原料进行反应制得。/>[0007]作为本专利技术的一个实施例，所述聚硅氧烷弹性体的拉伸强度为1.3～2.4MPa，断裂伸长率为550～1650％。
[0008]作为本专利技术的一个实施例，以韧性计，所述聚硅氧烷弹性体在80℃下自修复24h后的修复效率达93.7％。
[0009]本专利技术第二方面提供所述的聚硅氧烷弹性体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0010]S1、PDMS预聚物的制备：向氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷中加入二异氰酸酯搅拌反应，得到PDMS预聚物；
[0011]S2、聚硅氧烷弹性体(CHZ
‑
PDMS)的制备：向所述PDMS预聚物中加入碳酰肼搅拌反应，产物倒入模具中然后进行干燥，得到所述聚硅氧烷弹性体。
[0012]作为本专利技术的一个实施例，步骤S1中，除了氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷(NH2‑
PDMS
‑
NH2)以外，还可以选择羟基双封端聚二甲基硅氧烷(OH
‑
PDMS
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OH)、聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG)、聚己内酯二醇(PCL)中任意一种或多种的组合制备PDMS预聚物。
[0013]作为本专利技术的一个实施例，步骤S1中，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷的数均分子量为1000～5000。
[0014]作为本专利技术的一个实施例，步骤S1中，所述二异氰酸酯包括但不仅限于以下任意一种或多种的组合：异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)。
[0015]作为本专利技术的一个实施例，步骤S1中，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷与所述二异氰酸酯的摩尔比为1：1.14～2；所述搅拌反应的温度为15～35℃，反应时间为12～24h，反应溶剂为四氢呋喃。
[0016]作为本专利技术的一个实施例，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷与所述碳酰肼的摩尔比为1：0.14～1；所述加热搅拌的温度为30～60℃，反应时间为6～24h；所述干燥的温度为30～80℃。
[0017]作为本专利技术的一个实施例，加入的碳酰肼可以与PDMS预聚物中的异氰酸酯基反应，生成具有十重氢键结构聚硅氧烷弹性体。如碳酰肼的加入量过少，则生成的十重氢键较少，机械性能提升不明显；如碳酰肼的加入量过多，过量的碳酰肼不参与反应，也不再生成能够形成十重氢键结构的基团。
[0018]作为本专利技术的一个实施例，步骤S2中，所述搅拌反应的温度为40℃，反应时间为12h，所述干燥为真空干燥箱干燥12h，然后室温干燥24h。
[0019]本专利技术提供的上述技术方案至少带来以下有益效果：
[0020](1)本专利技术以几种不同的二异氰酸酯与氨丙基双封端的聚二甲基硅氧烷在室温下进行反应，异氰酸酯基与氨基生成脲基形成预聚物。然后控制反应条件加入碳酰肼，使碳酰肼的氨基与预聚物中的异氰酸酯基进一步反应，生成的基团之间可以构建十重氢键的结构。
[0021](2)本专利技术所制备的聚硅氧烷弹性体具有自修复性能。十重氢键之间是一种动态相互作用，氢键这种动态相互作用赋予材料优异的自修复性能，弹性体在自修复效率最高可达93.7％；
[0022](3)本专利技术所制备的聚硅氧烷弹性体具有优异的机械性能，制备的聚硅氧烷弹性体中的十重氢键具有有效的交联聚合物分子网络。十重氢键的高强度显著提升了弹性体的拉伸强度，拉伸强度为1.28～2.4MPa。并且由于氢键的动态性，弹性体在拉伸过程中的键的断裂重组会耗散一部分应变能，从而明显提高了韧性，韧性为11.31～22.20MJ
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‑3；
[0023](4)本专利技术所制备的聚硅氧烷弹性体实现了优异的力学性能与自修复能力的结合，对人体皮肤表面表现良好贴合性与疏水性，该弹性体在传统工业与新兴智能领域当中都具有巨大的应用潜力。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例1至3中制备的硅氧烷弹性体(简称CHZ
‑
PDMS)的反应原理图；
[0025]图2为本专利技术实施例1至3中制备的硅氧烷弹性体构建的十重氢键结构示意图；
[0026]图3为本专利技术实施例1至3中制备的硅氧烷弹性体(简称CHZ
‑
PDMS
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1，CHZ
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PDMS
‑
2，CHZ
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PDMS
‑
3)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS
‑
0)的傅里叶红外光谱图；
[0027]图4为本专利技术实施例2中制备的硅氧烷弹性体(简称CHZ
‑
PDMS
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2)的原位变温红外光谱图；
[0028]图5为本专利技术实施例1至3中制备的硅氧烷弹性体(简称CHZ
‑
PDMS
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1，CHZ
‑
PDMS
‑
2，
CHZ
‑
PDMS
‑
3)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS
‑
0)的DSC曲线图；
[0029]图6为本专利技术实施例1至3中制备的硅氧烷弹性体(简称CHZ
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PDMS
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1，CHZ
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PDMS
‑
2，CHZ
‑
PDMS
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自修复聚硅氧烷弹性体，其特征在于，所述聚硅氧烷弹性体以氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷、二异氰酸酯和碳酰肼为原料进行反应制得。2.根据权利要求1所述的自修复聚硅氧烷弹性体，其特征在于，所述聚硅氧烷弹性体的拉伸强度为1.3～2.4MPa，断裂伸长率为550～1650％。3.根据权利要求1所述的自修复聚硅氧烷弹性体，其特征在于，以韧性计，所述聚硅氧烷弹性体在80℃下自修复24h后的修复效率达93.7％。4.根据权利要求1至3任一项所述的自修复聚硅氧烷弹性体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、PDMS预聚物的制备：向氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷中加入二异氰酸酯搅拌反应，得到PDMS预聚物；S2、聚硅氧烷弹性体的制备：向所述PDMS预聚物中加入碳酰肼搅拌反应，产物倒入模具中然后进行干燥，得到所述聚硅氧烷弹性体。5.根据权利要求4所述的自修复聚硅氧烷弹性体的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷的数均分子量为1000～5000。...

【专利技术属性】
技术研发人员：查俊伟，高婧涵，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：