动态聚合物凝胶自愈合性能研究

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自愈合材料模仿生物体损伤愈合的原理,自发地修复内部的裂痕,从分子水平上对材料进行修复,从而延长使用寿命,拓宽应用范围,降低生产成本。开发具有自愈合性能的材料已成为智能材料研究领域的热点。聚合物材料中引入动态(可逆)共价键,通过控制共价键的动态交换反应,实现聚合物材料的自愈合,是一种新的方法。酰腙键是一种动态(可逆)共价键,在弱酸性或者中性条件下能可逆地形成与断裂,并达到动态平衡。因此酰腙键具有分子间作用力(如氢键)的可逆特性,但其本质上仍是共价键,其强度高于分子间作用力。所以,与物理凝胶相比,利用酰腙键构筑的聚合物凝胶具有化学凝胶稳定性好、机械强度高的优点,同时又具有物理凝胶的自愈合性能。本论文工作在本课题组已取得成果的基础上,合成了新型的聚合物凝胶因子,制备了含有酰腙键的动态聚合物水凝胶与有机凝胶,对其结构和自愈合性能进行了表征,证明该聚合物凝胶是通过化学交联形成的,具有自愈合性能。本论文的主要研究内容与成果如下:1.凝胶因子的合成:主要是通过星形和线形聚乙二醇末端羟基的官能团转化,形成末端为醛基或酰肼官能团的凝胶因子。官能团转化是通过甲磺酸酯化反应、亲核取代反应和酯与水合肼的反应实现的,最终得到端基为醛的三臂聚乙二醇凝胶因子和末端为酰肼的线性聚乙二醇凝胶因子。表征了两种凝胶因子的结构,其末端官能化率接近100%。两种凝胶因子既可溶于水又可溶于有机溶剂。2.凝胶的制备与性能:含有醛和酰肼的两种凝胶因子在水或苯甲醚中通过缩合反应形成酰腙键交联的智能型凝胶。弱酸性(pH=6)或中性条件下,水凝胶和有机凝胶通过酰腙键的交换反应可以实现自愈合,拉伸试验结果表明聚合物凝胶愈合48h后,其拉伸强度可恢复至原始凝胶强度的94%。流变性能测试及拉伸测试结果说明该类凝胶具有良好力学性能。3.水凝胶和苯甲醚凝胶的快速愈合:两种凝胶因子在水和苯甲醚两种介质中分别形成水凝胶与有机凝胶。水与苯甲醚本不相溶,但两种凝胶在无外界干扰的条件下,可在5min内实现快速自愈合,愈合后其拉伸强度介于水凝胶和苯甲醚凝胶之间。通过研究两种凝胶的交叉溶胀行为和拉伸实验,对凝胶的快速自愈合性能做了初步探索。
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