基于氢键自修复的聚合物和导电复合材料的合成及性能研究

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通过模仿生物体自愈合的特性,人工合成可自行感知和修复损伤的聚合物材料是一项富有深远意义的研究。目前聚合物材料在加工和使用过程中容易受到各种外界因素的破坏并产生难以监测的微裂纹,而这些微裂纹正是材料性能退化的起点。作为一种新颖的智能仿生材料,自修复聚合物能够感知并修复这类损伤,避免材料受到进一步破坏,延长材料使用寿命,消除安全隐患,节约维修成本。然而,目前研究的自修复高分子材料大多为绝缘体,使得其在导电领域中的应用受到限制。随着导电高分子材料在电子器件、传感器、能源、信息、航空等领域的广泛应用,对其使用寿命也提出了更高的要求。因此,研究和发展兼具导电功能和自修复性能的材料就显得十分必要。  在目前已报道的自修复方法中,通过氢键超分子作用进行自修复是一种较为有效的方法,具有无需外界刺激,无需修复剂或其他表面处理,室温下即可实现自修复,且自修复效率高,能够在同一位置进行多次自修复等特点。本文以制备氢键型自修复导电高分子复合材料为目的,首先制备了两种带有氨基甲酸酯基团的单体(MCMA和CMA),通过调节这两种单体的摩尔比,利用自由基聚合反应得到三种共聚物(PMCMA-co-PCMA)。在此基础之上,通过溶液共混法将炭黑(CB)填充到共聚物中,CB的填充质量分数从5%到25%,从而得到兼具导电和自修复性能的复合材料。  针对已制备的导电自修复复合材料,本文展开了多项测试。一系列测试结果表明,两种单体的比例和填充CB的量能够改变共聚物和复合材料的玻璃化转变温度。CB与共聚物(PMCMA-co-PCMA)具有良好的相容性,得到的复合材料是良好的导体,例如填充CB的质量分数为25%时,材料的电导率可达1 S·cm-1。复合材料的导电性能与CB填充量的关系符合无规逾渗模型,其逾渗阈值在5wt%左右。复合材料的电导率能够随着材料的弯曲程度或拉伸形变而改变,是潜在的力感应材料。总的来说,导电自修复复合材料不仅具有良好的力学和电学性能,同时具有高效率的电学和力学自修复性能,其自修复是通过断口界面处的氢键超分子作用和分子链间的链段扩散运动实现的。而且复合材料还能够通过共聚物的组成成分和CB填充量对其力学、电学以及自修复性能进行调节。
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