CN114133570B - 一种自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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(NH2‑PDMS‑NH2)、二异氰酸酯和由柠檬酸转化的柠檬酰氯为原料进行反应制得。本发明以两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氨基甲酸酯。氨基甲酸酯之间形成氢键，生成物理交联。然后控制反应条件，使制备得到的柠檬酰氯的两个酰氯基团与氨基反应生成酰胺键。酰胺键的生成以及氢键的作用使弹性体在特定波长下的荧光特性。本发明适用于高分子智能材料领域。

Description

一种自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子智能材料领域，具体涉及一种自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法。
背景技术
聚硅氧烷(Polysiloxane)是指主链以Si-O单元为主，以单价有机基团为侧基的一类聚合物。硅氧烷分子主链含有硅氧(Si-O)链节的特殊结构，因而赋予其耐高低温、耐老化、疏水及电绝缘优异性能。Si-O键具有较大的键角和较大的键长，更容易发生内旋转，因此聚合物柔性大，可设计性强。基于上述优点，聚硅氧烷被广泛应用于航空、汽车、柔性电子器件、电气等领域，在医疗卫生、日常生活中也有诸多应用。但聚硅氧烷在常温下拉伸强度、撕裂强度较差，在使用过程中易被破坏，造成局部或整体的损伤，这可能导致材料的性能的降低甚至完全丧失，缩短材料的使用寿命，安全性也面临重大考验。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种自修复聚硅氧烷弹性体及其制备方法，本发明的自修复聚硅氧烷弹性体在40℃下即可实现裂纹的自修复，并且具有较高的自修复效率和拉伸性能，在365nm紫外灯的照射下具有荧光特性。
为实现上述目的，本发明第一方面提供如下技术方案：
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-NH2)、二异氰酸酯和由柠檬酸转化的柠檬酰氯为原料进行反应制得。
作为本发明的一个实施例，所述聚硅氧烷弹性体的拉伸强度为80～450kPa，断裂伸长率为95～560％；所述聚硅氧烷弹性体在365nm的紫外灯照射下具有蓝紫色荧光。
作为本发明的一个实施例，以断裂伸长率计，所述聚硅氧烷弹性体在40℃下自修复12h后的修复效率达96.25％。
作为本发明的一个实施例，所述聚硅氧烷弹性体的最大发射波长为400nm。
作为本发明的一个实施例，所述聚硅氧烷弹性体的最大激发波长为345nm。
本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述的聚硅氧烷弹性体的制备方法，所述方法包括：
S1：柠檬酰氯的制备：向柠檬酸的四氢呋喃溶液中搅拌滴加氯化亚砜，0℃反应12h，反应结束后向溶液中加入一定量正己烷，低温避光旋转蒸发多余氯化亚砜，重复3次得到淡黄色透明粘稠状柠檬酰氯，溶于四氢呋喃中放入冰箱备用；
S2：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，得到所述PDMS预聚物；
S3：聚硅氧烷弹性体(CA-PDMS)的制备：向所述PDMS预聚物中加入所述柠檬酰氯的四氢呋喃溶液加热回流，产物倒入聚四氟乙烯模具中，真空干燥箱干燥12h，室温干燥24h。
作为本发明的一个实施例，步骤S1中，所述柠檬酸与所述氯化亚砜的摩尔比为1：3～3.3。
作为本发明的一个实施例，步骤S2中，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷的数均分子量为3000～5000；所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)中的一种。
作为本发明的一个实施例，步骤S2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1：0.5～1；所述搅拌反应的温度为15～35℃，时间12～24h，反应溶剂为四氢呋喃。
作为本发明的一个实施例，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷与所述柠檬酰氯的摩尔比为1：0.3～3；所述加热回流的温度为60～80℃，时间为3～6h；所述干燥的温度为40～80℃。
本发明提供的上述技术方案至少带来的有益效果：
(1)本发明以两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氨基甲酸酯。氨基甲酸酯之间形成氢键，生成物理交联。然后控制反应条件，使制备得到的柠檬酰氯的两个酰氯基团与氨基反应生成酰胺键。酰胺键的生成以及氢键的作用使弹性体在特定波长下的荧光特性；
(2)本发明所制备的聚硅氧烷弹性体具有自修复性能。异氰酸酯基与氨基生成的氨基甲酸酯以及柠檬酸侧链未反应的羧基之间可以形成氢键作用，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40℃下自修复效率可达96.25％；
(3)本发明所制备的聚硅氧烷弹性体具有优异的拉伸性能。制备的聚硅氧烷弹性体当中的氢键有效的交联聚合物分子网络，由于氢键动态性，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，从而提高了其拉伸性，断裂伸长率为94.23～560.4％；
(4)本发明所制备的聚硅氧烷弹性体在特定波长下具有荧光特性。使制备的柠檬酰氯与聚二甲基硅氧烷的氨基反应生成酰胺，酰胺键的生成以及侧链羧基氢键的作用使聚合物具有较强的AIE荧光现象；
(5)本发明所制备的聚硅氧烷弹性体将荧光特性与自修复结合到弹性体当中，对人体皮肤表面表现良好贴合性，该弹性体在可穿戴设备的基底材料和涂层当中具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)的反应原理示意图；
图2为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS)的傅里叶红外光谱图；
图3为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS)的DSC曲线图；
图4为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)原始样和弹性体修复样的应力应变曲线图；
图5为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)的荧光发射光谱图；
图6为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)的荧光激发光谱图；
图7为本发明实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS)的TGA曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1所示为实施例1～3的合成原理示意图。本发明实施例中提供了具有荧光特性的自修复聚硅氧烷弹性体，聚合所用原料包括以下组分：
氨丙基封端的聚硅氧烷(NH2-PDMS-NH2)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、柠檬酸(CA)。
实施例1
一种具有荧光特性的自修复聚硅氧烷弹性体制备方法，包括如下制备步骤：
S1：柠檬酰氯的制备：将1g柠檬酸溶解在15ml四氢呋喃中，0℃下搅拌加入1.3ml二氯亚砜，反应12h；反应结束后向溶液中加入适量正己烷，低温避光旋转蒸发多余二氯亚砜，重复3次得到淡黄色透明粘稠状柠檬酰氯，加入10ml四氢呋喃中放入冰箱备用；
S2：PDMS预聚物的制备：将3g氨丙基封端的聚硅氧烷溶解在适量四氢呋喃中，然后向其中加入0.1g六亚甲基二异氰酸酯混合均匀，室温25℃下机械搅拌24h，得到PDMS预聚物；
S3：聚硅氧烷弹性体(CA-PDMS)的制备：向PDMS预聚物中加入步骤S2制备得到的柠檬酰氯的四氢呋喃溶液1.15ml，油浴80℃加热回流6h；产物倒入聚四氟乙烯模具中，真空干燥箱40℃干燥12h，室温干燥24h。
本实施例制得的具有荧光特性的自修复聚硅氧烷弹性体拉伸强度为344.1kPa，断裂伸长率为560.4％，40℃下自修复12h的自修复效率为96.25％，最大激发波长为400nm，最大发射波长为345nm。
对比例1
一种自修复聚硅氧烷弹性体制备方法，包括如下制备步骤：
(1)将3g氨丙基封端的聚硅氧烷溶解在适量四氢呋喃中，然后向其中加入0.168g六亚甲基二异氰酸酯混合均匀，室温25℃下机械搅拌24h。
(2)将步骤(1)的溶液倒入模具中，室温干燥24h。
本对比例制得的荧光特性的自修复聚硅氧烷弹性体拉伸强度为408.2kPa，断裂伸长率为1260％，40℃下自修复12h的自修复效率为91.65％，材料无AIE效应。
图1为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)的反应原理示意图。图2为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS)的傅里叶红外光谱图。由图2可知，本发明按照如图1所示的方法成功合成了一种聚硅氧烷弹性体。
图3为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS)的DSC曲线图。图4为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)原始样和弹性体修复样的应力应变曲线图。图5为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)的荧光发射光谱图。图6为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)的荧光激发光谱图。由图3可知，本发明提供的添加柠檬酸的聚二甲基硅氧烷CA-PDMS与未添加柠檬酸的预聚物PDMS相比Tg略有提升，柠檬酸侧链提供的羧基参与氢键生成，提高了聚合物的交联度。由图4可知，本发明制备的聚硅氧烷弹性体由于氢键的动态相互作用，在40℃时具有优异的自修复性能。由图5～6可知，本发明制备的聚硅氧烷弹性体在一定波长下具有明显的荧光特性，而未添加柠檬酸的PDMS无荧光发射现象，柠檬酸的加入与氨基反应生成发光基团，从而赋予材料在一定波长下的AIE荧光特性。
图7为实施例1中制备的硅氧烷弹性体(简称CA-PDMS)和对比例1中硅氧烷弹性体(简称PDMS)的TGA曲线图。由图7可知，本发明提供的添加柠檬酸的聚二甲基硅氧烷CA-PDMS与未添加柠檬酸的预聚物PDMS相比热稳定性无明显变化，具有良好的热稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚硅氧烷弹性体的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：柠檬酰氯的制备：向柠檬酸的四氢呋喃溶液中搅拌滴加氯化亚砜，0℃反应12h，反应结束后向溶液中加入一定量正己烷，低温避光旋转蒸发多余氯化亚砜，重复3次得到淡黄色透明粘稠状柠檬酰氯，溶于四氢呋喃中放入冰箱备用；
S2：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，得到所述PDMS预聚物；
S3：聚硅氧烷弹性体(CA-PDMS)的制备：向所述PDMS预聚物中加入所述柠檬酰氯的四氢呋喃溶液加热回流，产物倒入聚四氟乙烯模具中，真空干燥箱干燥12h，室温干燥24h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚硅氧烷弹性体的拉伸强度为80～450kPa，断裂伸长率为95～560％；所述聚硅氧烷弹性体在365nm的紫外灯照射下具有蓝紫色荧光。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以断裂伸长率计，所述聚硅氧烷弹性体在40℃下自修复12h后的修复效率达96.25％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚硅氧烷弹性体的最大发射波长为400nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚硅氧烷弹性体的最大激发波长为345nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述柠檬酸与所述氯化亚砜的摩尔比为1：3～3.3。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷的数均分子量为3000～5000；所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)中的一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2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1：0.5～1；所述搅拌反应的温度为15～35℃，时间12～24h，反应溶剂为四氢呋喃。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨丙基双封端聚二甲基硅氧烷与所述柠檬酰氯的摩尔比为1：0.3～3；所述加热回流的温度为60～80℃，时间为3～6h；所述干燥的温度为40～80℃。
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