各向异性自修复聚合物材料的制备与表征

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高分子材料具有质轻、硬度高、弹性好、容易机械加工等特点,被广泛应用于汽车、电子设备、航空航天、建筑、医疗等领域。但是由于聚合物本身的特性,在使用过程中易受到剐擦、割伤、外力冲击等因素发生不可逆的损伤,导致其力学性能和功能显著下降,限制了其应用。而自修复聚合物能自发地对损伤部位进行修复,能有效提高材料使用安全性、稳定性和使用寿命。但是,力学强度和修复性能呈对立关系,限制了自修复聚合物的发展。针对这一问题,本文以设计构建兼具高强度和室温实时自修复功能的聚合物为主要目的,利用聚合物侧链中多重弱氢键作用构建了室温实时自修复聚合物,并采用拉伸诱导取向策略,将各向异性结构引入到聚合物中,提高聚合物的机械强度。从而构建高强度、室温实时修复的各向异性聚合物,并对其形成机制进行了深入系统研究。本文主要的研究有以下几个方面:(1)采用甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯(MPEG480)和丙烯酰吗啉(ACMO)为原料,利用自由基聚合反应制备了室温实时自修复聚合物,该聚合物切断后,在室温条件下修复5 s,强度可达4.4 MPa。在此基础上利用拉伸诱导取向策略制备了兼具高强度和室温实时修复的各向异性聚合物(MA)。以拉伸方式引入的各向异性结构赋予了弹性体优异的力学性能,预拉伸应变200%弹性体的力学强度可达8.4 MPa,断裂伸长率为358%。聚合物侧链中多重弱氢键的作用,使得高强度的弹性体可以在室温下快速修复,自修复效率可达87%。其次,通过红外(FTIR)、SEM、POM以及小角X射线散射(SAXS)等测试手段系统研究了该聚合物的自修复机理、各向异性结构的形成机制以及原位失水过程中氢键形成的变化。结果表明:聚合物侧链中的酰胺羰基和亚甲基、甲氧基之间形成了氢键;SEM测试证实了聚合物中取向结构的生成;SAXS和POM证明了在原位失水过程中聚合物的各向异性越来越明显,且在固定干燥前2 h完成;二维红外证明了原位失水过程中聚合物中的氢键是在水分彻底蒸发后才形成的。另外,在具有粘附性水凝胶的表面上均匀的喷涂碳纳米管(CNTs)分散液之后再进行预拉伸处理,所得的复合材料可以作为一种导电性好、高灵敏度的应变传感器,可灵敏的监测肌肉运动、肘部弯曲和声带发声等动作。(2)将在(1)中制备的各向异性自修复聚合物浸泡在氯化锌(Zn Cl2)溶液中进行溶胀处理,利用Zn2+与酰胺羰基的配位作用,在各向异性聚合物中引入二次定向交联结构,进一步提高了各向异性自修复聚合物的机械强度。通过调控体系中配位键的含量便捷的调控聚合物的力学性能,当Zn2+含量为3wt%时,弹性体的最大断裂强度达到了12.68 MPa,断裂伸长率为265%。多重弱氢键、配位键赋予聚合物优异的修复能力,在室温下修复10 s后,自修复效率为80%。其次,XPS证实了聚合物中酰胺羰基与Zn2+之间形成了配位键。另外,金属离子的引入,使弹性体具备了抗菌特性,利用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌可以对金属材料进行抗菌能力的检测,结果表明弹性体具有良好的抗菌性能。
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