高弹性自修复材料的设计合成

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自修复材料可以实现材料对自身裂纹的检测并自发完成对材料损伤的修复,从而可以预防材料由于产生裂纹而存在的潜在破坏,延长材料的使用寿命。传统材料为了追求高强度及弹性,通常都是由不可逆的共价键构筑而成的。这种共价键在断裂之后无法再重建,因此传统材料并不具有自修复性能。近年来,人们通过在微胶囊或者中空纤维里包载修复剂,或者将可逆化学键(如可逆共价键或非共价弱相互作用)引入到高分子骨架中的方法得到了多种自修复材料。然而,目前的自修复材料存在材料的弹性与自修复性质无法兼容的问题。往往弹性好的材料不能自修复,而自修复性能好的材料弹性又不好。如何通过化学设计得到兼具高弹性和优良自修复性质的材料是自修复材料研究领域面临的一个重大挑战。我们通过三种途径设计合成几种高弹性的自修复材料:1)将环金属铂配合物引入到PDMS高分子中,利用环金属铂配合物之间的氢键、π…π以及Pt…Pt相互作用实现高分子链之间的交联,同时这些弱相互作用的动态性,所得到的材料能够在室温下自修复,并且材料的拉伸率达20倍;2)将Fe3+与三氮唑之间的配位键引入到PDMS高分子中,由于配位键强度适中,得到的材料在能够在60℃下加热修复,同时拉伸率达30倍以上;3)将强配位键与弱配位键集成在同一高分子中。强配位键与弱配位键位置相邻,受到拉伸作用时,弱配位键断开使能量得到耗散,而强配位键仍然得以保持使材料不致断裂,因此材料具有非常好的拉伸性(能拉伸40倍以上)。另一方面,由于强配位键与弱配位键的结合导致配位结构具有高度动态性,受到破坏后能够快速自发形成,因此材料受损后在室温下甚至低温条件下就能自发修复。上述研究后续发展力学性质良好的自修复材料提供了理论基础和实验依据。
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