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技術科普:如何用溶劑熱固化方法改性二甲基硅氧烷橡膠

文章出處:廣東帝博科技有限公司 人氣:-發表時間:2021-04-09

硅橡膠制品具有優良的耐高、低溫性能,電絕緣性、耐氣候老化性,透氣性好等特點,在電子、醫療、日用品等行業廣泛應用。然而,目前所報告的對硅橡膠的改性大多側重于硅橡膠化學成分的變化,包括分子鏈的設計,引入其他組分以及填充顆粒等方法。通過這些改進能夠對硅膠的拉伸性,模量,親疏水性能進行調控。

 

這種添加額外組分的方法,在增強硅膠性能和拓展其應用的同時,也有可能會限制了這類改性硅膠在原有領域的應用。成本增加、合成工藝改變、成分不同以及化學性質的改變等等問題,都會對最終應用產生較大的影響。

 

如何在不改變硅膠組分以及分子鏈網絡本身的前提下,去可控的改性硅橡膠的組分,仍然是一項重要挑戰。

 

近日,中科大俞書宏院士報道了通過在固化過程中引入溶劑,展示了一種新穎、簡便、低成本的聚二甲基硅氧烷橡膠(PDMS)性能改性方法。

 

在不改變硅氧烷分子鏈和聚合原料的情況下,僅利用溶劑以及水熱限域合成的固化策略來控制硅氧烷聚合網絡結構,即可實現對硅氧烷拉伸性、柔軟性和粘性等性能的可控改性。


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水熱溶劑熱法合成超柔高彈PDMS的機理展示

 

(1)水熱溶劑熱法制備超柔高彈PDMS (S-H-PDMS)

作者選擇了一種商業的高分子量端基乙烯基聚二甲基硅氧烷作為PDMS的預聚體。將預聚物按指定比例混合,并加入硅氧烷的良溶劑分散(這里選用的是正己烷),充分攪拌均勻后放入特氟龍容器中,在120℃下反應2h,得到與加入的混合溶液體積一樣的透明PDMS油凝膠。與常見溶脹狀態下的水凝膠類似,這種油凝膠表現出透明、柔軟、以及較好彈性性能。

 

隨后,作者將凝膠在正己烷中長時間浸泡,反復多次去除里面可能含有的未反應的單體,然后置于室溫干燥揮發去除里面溶劑后,凝膠樣塊會隨著正己烷在空氣中揮發而收縮,最終等比例縮小,得到了溶劑熱固化的PDMS高彈硅膠 (S-H-PDMS)。

 

對比發現,在正己烷中多次浸泡去除多余單體并干燥后,S-H-PDMS的密度和外觀與正常固化的PDMS (N-H-PDMS)幾乎相同。紅外表征顯示,其內部分子官能團也未發生明顯變化,但是其力學性能卻得到了極大的改進。

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S-H-PDMS的合成方法及樣品性能

(a)S-H-PDMS的合成方法簡圖。

(b)溶脹狀態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)溶劑熱法固化的高分子量PDMS的照片。兩者具有幾乎相同的透明度。

(f)兩種合成方法得到的PDMS紅外表征圖譜,其內部官能團基本未發生變化。

(g)相較于傳統的PDMS材料,S-H-PDMS表現出超柔高彈的性能。

 

(2)通過簡單的溶劑比例調控方法可控合成不同力學性能的硅彈性體

在水熱溶劑熱合成方法中,作者可以通過調控硅氧烷良溶劑的比例來可控制備出具有不同拉伸性能以及強度的PDMS。當溶劑添加量增多時,其硅彈性體的交聯度越低,拉伸性能越好,彈性模量也越低。這種簡單的調控策略可以非常高的滿足諸多不同場合所對硅彈性體的性能要求。

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不同溶劑比例合成的硅彈性體性能測試

(a)不同配比下,硅彈性體形貌變化照片。

(b)隨著溶劑比例的增高,硅彈性體力學性能變化曲線。

(c)20:1溶劑配比下硅彈性體的超高拉伸性能圖片。

(d)不同溶劑配比下硅彈性體強度變化。

(e)溶劑比例的變化對PDMS交聯度的影響柱狀圖。

 

(3)較好的黏附以及溶脹性能讓這種方法合成的PDMS應用領域更為廣闊

當溶劑添加量到10:1以上時,PDMS還能表現出優異的黏性以及超高的吸油溶脹性能,從而讓這種材料在人造皮膚,傳感器以及海面浮油收集領域有著非常好的應用潛力?;诖?,作者還制備出了一款高靈敏度的有機溶劑傳感器,對不同極性的有機溶劑有著非常好的區分性能。

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T-H-PDMS的黏附于溶脹性能測試

(a-c)S-H-PDMS與不同材料界面黏附性能測試。

(d-e)S-H-PDMS對不同有機溶劑的溶脹性能測試。

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基于S-H-PDMS的有機溶劑電信號傳感器表征于測試

(a)傳感器外觀及導電性能測試。

(b)傳感器表面SEM圖。

(c-d)傳感器對不同極性有機溶劑響應性能測試曲線。


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此文關鍵詞:硅膠,硅橡膠,硅膠制品,硅橡膠制品

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