CN110204678A - 一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料及其制备方法 - Google Patents
一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料及制备方法,属于自修复新材料及制备技术领域。本发明利用可逆交换的化学键实现材料损伤的修复具有非常重要的意义,且其在理论上具有无限次的损伤修复能力。该方法以二硫键做为材料的自修复键,再通过二异氰酸酯交联PDMS,最终得到了自修复PDMS弹性体。二异氰酸酯的加入,产生了脲基,从而形成了分子间氢键,增加了材料的交联密度。另外,本发明提供的方法简单可行,在氢键与二硫键的共同作用下,使材料获得了优异的力学性能和自修复性能。自修复功能材料为重要的新材料,有望解决传统方法无法解决的技术难题,在一些重要工程和尖端技术领域具有巨大的发展前景和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及属于自修复弹性体及制备技术领域,具体涉及一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展,高分子材料在人们的日常生活中起着越来越重要的作用,特别是在材料表面防护、柔性电子器件、生物材料等领域有着不可替代的位置。由于传统的高分子材料主要靠不可逆的共价键交联形成,材料一旦遭受外部机械作用发生破坏时,很难得到恢复,从而降低了材料的使用寿命。近年来,自修复材料的发展为解决这一问题提供了一个理想的方法。
根据材料自修复原理,自修复材料分为外援型自修复材料和本征型自修复材料两种。外援型自修复材料是通过预埋修复剂,当材料受到破坏时通过修复剂的释放来实现自修复。这种材料修复速度快,但是仅能实现有限次数的修复。另一种本征型自修复材料,其自修复机理主要是使用具有动态性能的共价键或化学相互作用来代替传统的不可逆共价键,从而赋予材料本身自修复性能。常见的有动态共价键、氢键、离子作用以及金属配体自修复等。由于其优异的性能,这种材料成为近年来研究的热点。
由于这种材料是通过可逆的动态共价键来连接的,而一般情况下,可逆共价键的强度远远低于不可逆共价键,这就导致了这种本征型自修复材料的强度往往比较低。为此,怎样解决材料力学强度与自修复性能之间的矛盾,成为这种材料研究的关键问题。另外,有的材料虽然具有较高的力学强度,但是其自修复需要一定的外加条件,比如加热,这为材料的实际应用带来不便。
为解决以上问题,本发明提供一种具有自修复性能的聚二甲基硅氧烷材料及制备方法,本材料具有优异的自修复性能和力学性能,并且可以在常温下进行自修复。
发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足,提供一种常温下可进行自修复的聚二甲基硅氧烷弹性体材料及制备方法。利用芳香族二硫键的动态交换作用实现材料的损伤自修复。
为了解决材料力学强度较低的缺陷,加入异氰酸酯与氨基反应生成脲基。在脲基间氢键和二硫键的共同作用下,使材料得到了优异的自修复性能和力学性能。该材料可以在常温下实现损伤自修复,极大地延长了其在实际中的使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
1、本发明提供一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料,具有式I所示的结构:
式I
其中:
n的取值范围为20-30;
R为:中的一种或几种。
2、本发明另提供一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,该方法以芳香族二硫键做为自修复键,以低表面能的PDMS为基体材料,再加入二异氰酸酯做为交联剂,得到了一种可在常温下进行损伤自修复的弹性体材料。二硫键的动态交换反应赋予了材料自修复性能,脲基可以形成分子间氢键,增加了材料的机械强度,提高了材料的断裂强度和断裂伸长率。在氢键和二硫键的共同作用下,即保证了材料的力学强度,又兼顾了材料的自修复性能。
具体来说,其制备工艺步骤为:
a.取一定量4,4-二氨基二苯二硫醚溶于CH2Cl2中,加入三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2;
b.冰浴条件下,取一定量三光气溶于CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至步骤a所得液体中;
c.冰浴条件下反应5-10min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末;
d.取一个干净的三口烧瓶,加入一定量氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),量取四氢呋喃(THF)对PDMS进行稀释,搅拌均匀;
e.向三口烧瓶中通入惰性气体,排除里面的空气,用注射器向三口烧瓶中逐滴加入一定量的二异氰酸酯;
f.在惰性气体氛围下,70-150℃油浴,磁力搅拌冷凝回流12-48h;
g.向三口烧瓶中加入一定量步骤c中得到的粉末,保证其与步骤e中二异氰酸酯的摩尔数之和等于聚二甲基硅氧烷的摩尔数,继续反应8-12h;
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡,将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
可选地,所述二异氰酸酯包括:六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)等一种或几种。
可选地,所述PDMS与二异氰酸酯的摩尔比≥1。
可选地,所述氨基封端的聚二甲基硅氧烷的分子量为1000-5000。
可选地,所述惰性气体为氮气或氩气,通过惰性气体保护,防止二异氰酸酯与空气中的水发生反应。
可选地,步骤a中,4,4-二氨基二苯二硫醚的摩尔量是0.02mol。
可选地,步骤b中,三光气的用量是0.013-0.03mol。
本发明的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料及制备方法,与现有技术相比所产生的有益效果是:
本发明以芳香族二硫键做为自修复键,以低表面能的PDMS为基体材料,再加入异氰酸酯做为交联剂,得到了一种可在常温下进行损伤自修复的弹性体材料。二硫键的动态交换反应赋予了材料自修复性能,脲基可以形成分子间氢键,增加了材料的机械强度,提高了材料的断裂强度和断裂伸长率。在氢键和二硫键的共同作用下,即保证了材料的力学强度,又兼顾了材料的自修复性能。另外,本发明提供的方法简单可行,所用原料便宜易得,大大降低了材料的成本,为材料实际应用提供了可能。
附图说明
附图1是实施例一至实施例四所制备材料的红外光谱图;
附图2是将实施例一材料切断后,不同时间的自修复效果图。
具体实施方式
下面结合附图1、2,对本发明的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料及制备方法作以下详细说明。
本发明生物一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料,具有式I所示的结构:
式I
其中:
n的取值范围为20-30;
R为:中的一种或几种。
其制备方法为:以芳香族二硫键做为自修复键,以低表面能的PDMS为基体材料,再加入二异氰酸酯做为交联剂,得到了一种可在常温下进行损伤自修复的弹性体材料。二硫键的动态交换反应赋予了材料自修复性能,脲基可以形成分子间氢键,增加了材料的机械强度,提高了材料的断裂强度和断裂伸长率。在氢键和二硫键的共同作用下,即保证了材料的力学强度,又兼顾了材料的自修复性能。
具体来说,其制备工艺步骤为:
a.取0.02mol 4,4-二氨基二苯二硫醚溶于CH2Cl2中,加入三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2;
b.冰浴条件下,取0.013-0.03mol三光气溶于CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至步骤a所得液体中;
c.冰浴条件下反应5-10min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末;
d.取一个干净的三口烧瓶,加入0.01mol的氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),量取100mL四氢呋喃(THF)对PDMS进行稀释,搅拌均匀;
e.向三口烧瓶中通入氮气,排除里面的空气,用注射器向三口烧瓶中逐滴加入0.005-0.01mol二异氰酸酯;
f.在氮气氛围下,70-150℃油浴,磁力搅拌冷凝回流12-48h;
g.向三口烧瓶中加入0-0.005mol步骤c中得到的粉末,保证其与步骤e中加入的二异氰酸酯摩尔数之和等于聚二甲基硅氧烷的摩尔数,继续反应8-12h;
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡,将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
实施例一
本发明的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其制备工艺步骤为:
a.取5g 4,4-二氨基二苯二硫醚溶于50mL CH2Cl2中,加入8.15g三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2。
b.冰浴条件下,取3.90g三光气溶于20mL CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至上述液体中。
c.冰浴条件下反应5min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末。
d.取一个干净的三口烧瓶,加入20g分子量2000的氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),溶于100mL THF中,搅拌均匀。
e.向三口烧瓶中通入氮气,排除里面的空气;用注射器向三口烧瓶中逐滴加入0.008mol的HMDI。
f.在氮气氛围下,80℃油浴,磁力搅拌冷凝回流12h;
g.向三口烧瓶中加入0.002mol步骤c中得到的粉末,继续反应8h。
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡。将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
实施例二
本发明的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其制备工艺步骤为:
a.取5g 4,4-二氨基二苯二硫醚溶于50mL CH2Cl2中,加入8.15g三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2。
b.冰浴条件下,取3.98g三光气溶于20mL CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至上述液体中。
c.冰浴条件下反应10min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末。
d.取一个干净的三口烧瓶,加入10g分子量1000的氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),溶于100mL THF中,搅拌均匀。
e.向三口烧瓶中通入氮气,排除里面的空气;用注射器向三口烧瓶中逐滴加入0.009mol的IPDI。
f.在氮气氛围下,90℃油浴,磁力搅拌冷凝回流36h;
g.向三口烧瓶中加入0.001mol步骤c中得到的粉末,继续反应10h。
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡。将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
实施例三
本发明的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其制备工艺步骤为:
a.取5g 4,4-二氨基二苯二硫醚溶于50mL CH2Cl2中,加入8.15g三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2。
b.冰浴条件下,取6.02g三光气溶于20mL CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至上述液体中。
c.冰浴条件下反应8min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末。
d.取一个干净的三口烧瓶,加入50g分子量5000的氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),溶于100mL THF中,搅拌均匀。
e.向三口烧瓶中通入氮气,排除里面的空气;用注射器向三口烧瓶中逐滴加入0.005mol的HDI。
f.在氮气氛围下,150℃油浴,磁力搅拌冷凝回流24h;
g.向三口烧瓶中加入0.005mol步骤c中得到的粉末,继续反应12h。
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡。将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
实施例四
本发明的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其制备工艺步骤为:
a.取5g 4,4-二氨基二苯二硫醚溶于50mL CH2Cl2中,加入8.15g三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2。
b.冰浴条件下,取8.98g三光气溶于20mL CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至上述液体中。
c.冰浴条件下反应6min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末。
d.取一个干净的三口烧瓶,加入30g分子量3000的氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),溶于100mL THF中,搅拌均匀。
e.向三口烧瓶中通入氮气,排除里面的空气;用注射器向三口烧瓶中逐滴加入0.004mol的IPDI+0.002mol的MDI。
f.在氮气氛围下,70℃油浴,磁力搅拌冷凝回流48h;
g.向三口烧瓶中加入0.004mol步骤c中得到的粉末,继续反应9h。
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡。将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
附图1为实施例一至实施例四的红外光谱图,由图1可知,PDMS与二异氰酸酯反应过后,在1570cm-1附近和3330cm-1处的振动峰对应于脲基中-NH-振动。在1630cm-1处出现的振动峰对应于脲基中的-C=O的振动,没有出现二异氰酸酯的红外峰,证明二异氰酸酯完全反应。
附图2为实施例一将材料切断后,不同时间的自修复效果图,由图2可知,将材料切断之后,常温条件下修复不同的时间。由图中可以看出,随着修复时间的延长,材料的修复程度逐渐提高。
尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样,倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内,则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
除说明书所述的技术特征外,均为本专业技术人员的已知技术。
Claims (9)
1.一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料,其特征在于,具有式I所示的结构:
其中:
n的取值范围为20~30;
R为:的一种或几种。
2.如权利要求1所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,该方法以芳香族二硫键做为自修复键,以低表面能的PDMS为基体材料,再加入二异氰酸酯做为交联剂,得到了一种可在常温下进行损伤自修复的弹性体材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,其制备工艺步骤为:
a.取一定量4,4-二氨基二苯二硫醚溶于CH2Cl2中,加入三乙胺搅拌使其溶解,将溶解后的液体倒入干净的三口烧瓶中,通入干燥的N2;
b.冰浴条件下,取一定量三光气溶于CH2Cl2中,用恒压漏斗缓慢滴加至步骤a所得液体中;
c.冰浴条件下反应5-10min,将反应后的产物用冰水洗涤两次,取下层液体,真空干燥,得到淡黄色粉末;
d.取一个干净的三口烧瓶,加入一定量氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS),量取四氢呋喃(THF)对PDMS进行稀释,搅拌均匀;
e.向三口烧瓶中通入惰性气体,排除里面的空气,用注射器向三口烧瓶中逐滴加入一定量的二异氰酸酯;
f.在惰性气体氛围下,70-150℃油浴,磁力搅拌冷凝回流12-48h;
g.向三口烧瓶中加入一定量步骤c中得到的粉末,保证其与步骤e中二异氰酸酯的摩尔数之和等于聚二甲基硅氧烷的摩尔数,继续反应8-12h;
h.抽真空,去除反应溶液中的气泡,将溶液倒入四氟乙烯模具中,室温干燥3天。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,所述二异氰酸酯包括:六亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯等一种或几种。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,所述PDMS与二异氰酸酯的摩尔比≥1。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,所述氨基封端的聚二甲基硅氧烷的分子量为1000-5000。
7.根据权利要求2或3所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,所述惰性气体为氮气或氩气。
8.根据权利要求2或3所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,步骤a中,4,4-二氨基二苯二硫醚的摩尔量是0.02mol。
9.根据权利要求2或3所述的一种基于二硫键交换反应的聚二甲基硅氧烷自修复材料的制备方法,其特征在于,步骤b中,三光气的用量是0.013-0.03mol。
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