高强度室温自修复弹性体的设计及其性能研究

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聚合物在其成型、加工和使用等过程中不可避免地会受到机械损失,赋予材料自修复功能可实现对其内部和表面损伤自发修复,从而能在很大程度上消除材料损伤所带来的隐患,显著提高聚合物材料的安全性、稳定性和服役寿命,实现资源可持续发展。聚合物自修复功能的实现,依赖于分子链段的运动性以及体系内作用力的动态平衡。越来越多自修复材料被相继报道,然而其力学强度还远远达不到使用要求,而强度较大的聚合物材料其链段运动能力又较差,导致自修复条件苛刻。因此高强度与高自修复效率之间的矛盾严重阻碍了自修复材料的发展。本论文针对上述问题,以构筑兼顾高力学强度与室温自修复性能的弹性体材料为目标,通过在聚合物网络中引入多重可逆作用,分别制备了同时兼顾高力学强度和室温自修复性能的热塑性与交联型聚氨酯弹性体,并详细探究了其结构与性能之间的关系,同时阐明了各自的修复机理。对于热塑性聚氨酯,本文通过在体系中引入多强度氢键,芳香族二硫键和配位键三重动态作用制备了一种兼具高强度和高修复效率的自修复聚氨酯-酰胺弹性体,并建立了聚集态结构与自修复性能的联系。变温红外分析(FT-IR)结果表明,该体系中存在较强的氢键作用,有利于材料的自修复;不同应变下的ATR分析表明配位键因其强弱配位结合的结构在室温下具有快速重组能力,X射线光电子能谱分析(XPS)结果表明配位键的引入有利于硬段迁移;动态力学性能分析(DMA)结果表明,二硫键的引入使得体系具有更低的主转变活化能,多重作用协同下的链段运动能力更强,修复效果更佳;X射线衍射分析(XRD)结果表明,结晶取向度的提高,有助于提高材料的力学强度,但不利于断裂伸长率的恢复;原子力显微镜分析(AFM)结果表明适当的增大微相分离可以同步提升强度和自修复效率,但有碍于断裂伸长率的恢复。修复测试表明,该弹性体原样强度高达16.1±0.6 MPa,断裂伸长率可达771±36%,剪断拼接的试样在室温24h修复后可恢复94%的原样强度。为了进一步提高材料的使用稳定性及弹性,本文以IPDI,双(2-羟乙基)二硫化物(HEDS),丁二酮肟(DMG),无水氯化铜(Cu Cl2)等作为主要原料,制备了一种强度更高同时具备室温自修复性能的共价交联型聚氨酯弹性体,研究了配位密度、交联密度及软段结构对其自修复性能的影响。XPS以及应力松弛测试表明配位结构中的Cu2+可以加速二硫交换和肟氨酯交换,在二硫键,肟氨酯键,配位键和氢键四重动态键的协同作用下,该弹性体原样强度高达19.5±1.1 MPa,室温48h的自修复效率达到83%,且在较大形变下依旧具有良好的弹性回复能力。
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