动态二硫键与氢键协同作用的多功能聚氨酯脲的研究

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高分子材料的形状记忆性能、自修复性能和光热性能等特性为高分子材料的研究与使用提供了许多新的思路。其中形状记忆性能可以使高分子材料在几个特定的形状之间发生转变,广泛的应用于柔性制动器、柔性机器人、药物载体等领域。自修复性能使得聚合物自发的修复损伤,延长了高分子材料的使用寿命。光热性能作为非接触式加热手段,使得材料可以远程、局部、精确地改变温度。智能行为使得高分子材料得到了更广泛的应用,但在实际使用过程中,单一的智能行为难以满足需求。材料往往不会发生简单规整的破坏,形状记忆过程也要求局限于材料的某个部分,因此有必要将诸如形状记忆效应、快速自修复效应、光热性能和其他特性整合在单个聚合物网络中,使得制备的多功能聚合物可以更加符合实际需求。在这项研究中,我们制备了两类不同的多功能热塑性聚氨酯脲PCL-PUSS与PTMEGPUSSC。研究了两类聚氨酯脲的物理/化学结构,并考察了氢键与动态二硫键随温度所发生的变化。通过变温红外光谱与二维红外光谱,发现氢键随温度升高逐渐被破坏,通过变温拉曼光谱,发现动态二硫键在中温条件下发生了复分解反应而减少了含量。随后,考察了制备的第一类热塑性聚氨酯脲PCL-PUSS的性能以及各类智能行为。通过膨胀实验与应力松弛曲线表征了材料网络的粘弹性,证明了聚合物内大量存在的氢键,使得热塑性的聚氨酯脲展现出了类似于类玻璃聚合物的特性;通过动态热机械曲线与弯角恢复实验,定性与定量的考察了材料的形状记忆性能,证明了基于氢键作为固定相,软段结晶作为可逆相的PCL-PUSS拥有良好的形状记忆性能,且性能与材料内的氢键含量息息相关;通过应力应变曲线考察了PCL-PUSS的机械性能与自修复性能,证明了氢键与可逆键协同作用,赋予了聚合物良好的中温自修复性能的同时,使得其力学性能先增强后削弱;考察了PCL-PUSS30的固态可塑性与液态可塑性,并利用溶剂挥发成膜以及模块化拼接技术制备了两类柔性制动器,实现了对外界刺激进行响应从而实现制动。最后,考察了第二类热塑性聚氨酯脲PTMEG-PUSSC的性能以及各类智能行为。通过应力松弛曲线与动态热机械曲线表征了材料网络的粘弹性,证明了聚合物内软硬段之间以及聚合物分子链与氨基化碳纳米管表面存在作为交联点的氢键,这使其展现出了类似于类玻璃聚合物的特性;通过应力应变曲线考察了PTMEG-PUSSC的机械性能与自修复性能,证明了氢键与可逆键协同作用,赋予了聚合物良好的体温自修复性能,同时增加了材料的刚性与最大断裂应力;通过光热试验,考察了碳纳米管含量与808 nm近红外光强度对材料光热性能的影响;最后,将PTMEG-PUSSC10制备成了柔性导体,并通过远程加热重置其外形与灵敏度,证明了该材料在柔性电子、可穿戴设备领域有潜在的应用。
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