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科技前沿/俞书宏院士团队用溶剂热固化方法改性二甲基硅氧烷橡胶

时间:2021-04-06来源:全球有机硅网

全球有机硅4月6日讯:硅橡胶具有优良的耐高、低温性能,电绝缘性、耐气候老化性,透气性好等特点,在电子、医疗、日用品等行业广泛应用。然而,目前所报告的对硅橡胶的改性大多侧重于硅橡胶化学成分的变化,包括分子链的设计,引入其他组分以及填充颗粒等方法。通过这些改进能够对硅胶的拉伸性,模量,亲疏水性能进行调控。

 

这种添加额外组分的方法,在增强硅胶性能和拓展其应用的同时,也有可能会限制了这类改性硅胶在原有领域的应用。成本增加、合成工艺改变、成分不同以及化学性质的改变等等问题,都会对最终应用产生较大的影响。

 

如何在不改变硅胶组分以及分子链网络本身的前提下,去可控的改性硅橡胶的组分,仍然是一项重要挑战。

 

近日,中科大俞书宏院士报道了通过在固化过程中引入溶剂,展示了一种新颖、简便、低成本的聚二甲基硅氧烷橡胶(PDMS)性能改性方法

 

在不改变硅氧烷分子链和聚合原料的情况下,仅利用溶剂以及水热限域合成的固化策略来控制硅氧烷聚合网络结构,即可实现对硅氧烷拉伸性、柔软性和粘性等性能的可控改性


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水热溶剂热法合成超柔高弹PDMS的机理展示

 

(1)水热溶剂热法制备超柔高弹PDMS (S-H-PDMS)

作者选择了一种商业的高分子量端基乙烯基聚二甲基硅氧烷作为PDMS的预聚体。将预聚物按指定比例混合,并加入硅氧烷的良溶剂分散(这里选用的是正己烷),充分搅拌均匀后放入特氟龙容器中,在120℃下反应2h,得到与加入的混合溶液体积一样的透明PDMS油凝胶。与常见溶胀状态下的水凝胶类似,这种油凝胶表现出透明、柔软、以及较好弹性性能。

 

随后,作者将凝胶在正己烷中长时间浸泡,反复多次去除里面可能含有的未反应的单体,然后置于室温干燥挥发去除里面溶剂后,凝胶样块会随着正己烷在空气中挥发而收缩,最终等比例缩小,得到了溶剂热固化的PDMS高弹硅胶 (S-H-PDMS)。

 

对比发现,在正己烷中多次浸泡去除多余单体并干燥后,S-H-PDMS的密度和外观与正常固化的PDMS (N-H-PDMS)几乎相同。红外表征显示其内部分子官能团也未发生明显变化,但是其力学性能却得到了极大的改进。

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S-H-PDMS的合成方法及样品性能

(a)S-H-PDMS的合成方法简图。(b)溶胀状态S-H-PDMS的照片。(c)干燥之后的S-H-PDMS的照片。(d)普通方法固化的高分子量PDMS的照片。(e)溶剂热法固化的高分子量PDMS的照片。两者具有几乎相同的透明度。(f)两种合成方法得到的PDMS红外表征图谱,其内部官能团基本未发生变化。(g)相较于传统的PDMS材料,S-H-PDMS表现出超柔高弹的性能。

 

(2)通过简单的溶剂比例调控方法可控合成不同力学性能的硅弹性体

在水热溶剂热合成方法中,作者可以通过调控硅氧烷良溶剂的比例来可控制备出具有不同拉伸性能以及强度的PDMS。当溶剂添加量增多时,其硅弹性体的交联度越低,拉伸性能越好,弹性模量也越低。这种简单的调控策略可以非常高的满足诸多不同场合所对硅弹性体的性能要求。

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不同溶剂比例合成的硅弹性体性能测试

(a)不同配比下,硅弹性体形貌变化照片。(b)随着溶剂比例的增高,硅弹性体力学性能变化曲线。(c)20:1溶剂配比下硅弹性体的超高拉伸性能图片。(d)不同溶剂配比下硅弹性体强度变化。(e)溶剂比例的变化对PDMS交联度的影响柱状图。

 

(3)较好的黏附以及溶胀性能让这种方法合成的PDMS应用领域更为广阔

当溶剂添加量到10:1以上时,PDMS还能表现出优异的黏性以及超高的吸油溶胀性能,从而让这种材料在人造皮肤,传感器以及海面浮油收集领域有着非常好的应用潜力。基于此,作者还制备出了一款高灵敏度的有机溶剂传感器,对不同极性的有机溶剂有着非常好的区分性能。

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T-H-PDMS的黏附于溶胀性能测试

(a-c)S-H-PDMS与不同材料界面黏附性能测试。(d-e)S-H-PDMS对不同有机溶剂的溶胀性能测试。

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基于S-H-PDMS的有机溶剂电信号传感器表征于测试

(a)传感器外观及导电性能测试。(b)传感器表面SEM图。(c-d)传感器对不同极性有机溶剂响应性能测试曲线。


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