多功能聚二甲基硅氧烷泡沫复合材料的可控制备、结构与性能研究

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随着时代的进步,传统单组分的柔性高分子聚合物材料,难以突破在高性能化与多功能化等方面的瓶颈,也难以满足人们日益增长的对智能器件的高标准需求。一般而言,可进行相应的结构设计或采取功能填料进行复合,以达到柔性聚合物高性能化的目的。在结构设计中,较为常见的手段是在复合材料体系中构建多孔结构,但传统构建多孔材料的策略往往难以控制孔径尺寸及其分布,且存在力学性能较差的缺陷,在实际应用中仍面临着较大的挑战。超高性能功能填料的采用,囿于经济成本高,工艺过程耗时繁杂,难以适用于大规模工业化生产。此外,结构化的柔性聚合物及其复合材料,虽然在性能上有一定的改善与提升,但通常较为单一,对于功能拓展及其多样化方面仍有欠缺。基于此,开发设计出经济适应性、制备简易性、机械强度高且具备多功能特性的泡沫复合材料极具研究意义与实用价值。在本文中,我们通过在硅橡胶弹性体中引入具有中空闭孔结构的温敏微球(TSM)以获得机械增强的硅橡胶泡沫复合材料,对其结构与性能进行系统的研究,并深入探讨内部结构演变对多功能特性的影响。主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过使用简易且可控的发泡方法,即将遇热膨胀的TSM直接加入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)当中,成功制备温敏微球/聚二甲基硅氧烷(TSM/PDMS)泡沫复合材料。研究发现,TSM/PDMS泡沫复合材料,机械性能显著增强,表现出独特的软化行为,并显示出优异的理想吸能效率。具体而言,纯PDMS在10%应变下的压缩模量仅为4.3 MPa,压缩强度为0.5 MPa,而具有闭孔空腔的TSM/PDMS(1:2)泡沫样品的模量为10.2 MPa,强度为0.8 MPa,机械性能分别提升237%和160%。其次,在经历70%的大应变压缩后,泡沫样品的模量从10.2 MPa降低至2.5 MPa,呈现出独特的软化现象。再者,TSM/PDMS(1:2)泡沫样品理想吸能效率高达73.7%,而纯PDMS的理想吸能效率仅为15.8%,这是由于复合材料内部作为刚性支撑的闭孔TSM经历结构的演变,因此呈现出应力软化行为,且赋予泡沫材料良好的韧性,并能有效消耗冲击能量。(2)在上述的工作基础上,通过将TSM引入具有多壁碳纳米管(CNT)的PDMS中,成功制备了功能化导电硅橡胶泡沫(PDMS/TSM/CNT)复合材料,实现压阻传感的增强,并展现出特殊的温敏响应特性。首先,引入的泡孔结构显著改善复合材料的压阻传感性能,与PDMS/CNT样品中的电流变化(I/I0)响应值相比,实现了1800%的极大提升,并有效增强样品的传感灵敏度。此外,PDMS/TSM/CNT泡沫样品表现出快速的传感响应能力,仅为60 ms,并在循环压缩中呈现出优异的稳定性和出色的可靠性。其次,通过软化性能与传感特性的结合,使导电硅橡胶泡沫复合材料在应变警报装置中显示出巨大潜力。再者,由于TSM的结构特性,PDMS/TSM/CNT样品显现出特殊的温敏响应特性,在温敏材料领域具有潜在的应用价值。(3)另一方面,TSM的引入,给PDMS/CNT复合材料内部带来了许多空腔与界面,有利于电磁波在内部的多重散射与多重反射。由于硅橡胶泡沫中存在独特的应力软化现象与温敏响应,且皆与复合材料内部的微球结构相关。进一步研究可发现,PDMS/TSM/CNT复合材料内部中的微球结构可通过特定的温度和应变进行有效地调控,从而引起CNT导电网络的重新排列,并表现出不同的电导率和电磁干扰(EMI)屏蔽效能(SE)。具体而言,复合材料的EMI SE在120℃处理后可控下降,然后在150℃加热后部分可控恢复;基于120℃处理过的样品,其压缩至70%后的屏蔽性能得到可控的降低;将压缩样品置于120℃再次加热,EMI SE得以部分可控恢复。最后,探讨PDMS/TSM/CNT复合材料内部微球的形态演变及其引起的导电网络的变化,并对EMI屏蔽调控机理进行深入的分析。
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