【材料】JMCA：青科大王文嫔/李志波团队在自修复聚硅氧烷弹性体方面取得新进展

2022-10-29 07:50:24

导读

青岛科技大学李志波教授团队一致致力于高性能聚硅氧烷弹性体的研究工作。最近，王文嫔/李志波教授团队在高强度自修复聚硅氧烷弹性体的制备方面取得新进展，工作发表在Journal of Materials Chemistry A上。

具有优异机械性能和自修复性能的高分子弹性体在电子皮肤、柔性电极和传感器等光电子器件领域具有广阔的应用前景。聚硅氧烷弹性体的自修复性和强度一直是一个矛盾体，往往自修复性能好的聚硅氧烷弹性体的强度较低，而强度高的弹性体的自修复性能较差，制备高强度、高效自修复性能的聚硅氧烷弹性体仍然是一个巨大的挑战。

青岛科技大学李志波教授团队一致致力于高性能聚硅氧烷弹性体的研究工作（J. Mater. Chem. A 2020, 8, 5943-5951; Macromolecules 2022, 55, 2844-2853; Eur. Polym. J. 2022, 173, 111280; Polym. Chem. 2019, 10, 2126; Adv. Funct. Mater. 2021, 2101143;高分子学报,2018, 12, 1482-1492）。最近，王文嫔/李志波教授团队在高强度自修复聚硅氧烷弹性体的制备方面取得新进展。为了平衡聚硅氧烷弹性体的机械强度和自修复性能之间的矛盾，我们报道了一种新的策略，通过构建包含竞争金属配位和氢键相互作用的双物理交联网络来构建聚硅氧烷弹性体，以实现弹性体的优异韧性和体温自修复性能。首先将含脲基的聚硅氧烷（PDMS-U）和含羧基的聚硅氧烷（PDMS-C）混合均匀，之后通过添加不同的金属离子（Mn+）如Zn2+、Cu2+和Fe3+将竞争金属配位作用和可变氢键引入到聚硅氧烷网络中，从而得到具有竞争金属配位作用和氢键作用的双物理交联网络聚硅氧烷弹性体PDMS-U/PDMS-C/Mn+。该弹性体的设计制备具有以下特点：（1）脲基/金属离子和羧基/金属离子的竞争配位作用为互穿聚合物网络提供了有力的支撑，使其具有较高的机械强度。(2)由于聚合物网络中存在的金属配位键和氢键全部是可逆的物理相互作用，当弹性体破裂时，弹性体可以通过可逆相互作用的重构实现快速愈合并恢复应变，这使得弹性体具有优异的韧性和自愈合能力。（3）少量自由金属离子存在聚硅氧烷网络中，当弹性体拉伸或断裂时，可以确保配位反应向右向进行。（4）通过简单的调整PDMS-U与PDMS-C的比例，就可以实现互穿聚硅氧烷网络中竞争金属配位作用和氢键的比例调节，从而优化弹性体的机械强度和自修复性能。

图1.（a）PDMS-C的合成，（b）PDMS-U的合成，（c）PDMS-U/PDMS-C/Mn+的制备路径

图2.不同金属离子配位的聚硅氧烷弹性体的应力应变曲线

作者通过与不同的金属离子进行配位，发现相较于三价Fe3+，与二价金属离子Cu2+或Zn2+配位后得到的弹性体的性能更好。而Cu2+配位的聚硅氧烷弹性体的强度较高（4.4MPa），断裂伸长率较低（588%）。相反，Zn2+配位的聚硅氧烷弹性体的断裂伸长率较高（776%），强度略低（4.0MPa）。

图3.在37oC下，PDMS-U/PDMS-C0.3/Zn2+弹性体修复不同时间后的应力应变曲线

作者进一步探究了材料的自修复性能，发现在体温环境下，Zn2+配位的聚硅氧烷弹性体在37oC下放置8小时后，基本上可以实现完全自愈合，韧性可恢复到原来的98%。作者也探索了聚硅氧烷弹性体在柔性电极方面的应用，在弹性体上涂覆导电材料制得柔性电极，电极自愈合后，原本被破坏的断路可再次形成通路。并且也可以用来检测手部或肘关节的运动，在运动时监测到的波形稳定，针对不同幅度的运动，波形变化的大小也有区别。该弹性体在可穿戴皮肤方面也有潜在的应用价值。

图4.（a）导电回路中自愈电极愈合前后的照片，(b)采用PDMS-U/PDMS-C0.3/Zn2+薄膜作为柔性电极的支撑材料，用于监测手指运动和肘部运动

该项工作发表在Journal of Materials Chemistry A上（https://doi.org/10.1039/D2TA06593B），青岛科技大学硕士研究生王炜杰为论文的第一作者，王文嫔副教授和李志波教授为论文的通讯作者。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助。

论文链接：Tough and body-temperature self-healing polysiloxane elastomers through building a double physical crosslinking network via competing non-covalent interactions（https://doi.org/10.1039/D2TA06593B）。

来源：青岛科技大学

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