基于动态亚胺键的自修复有机硅弹性体的制备及性能研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2021.05.002

石油化工高等学校学报 ›› 2021, Vol. 34 ›› Issue (5): 9-15.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2021.05.002

基于动态亚胺键的自修复有机硅弹性体的制备及性能研究

延晨政哲¹(), 陈利贞², 高传慧¹, 武玉民¹()

^1.青岛科技大学化工学院，山东青岛 266011
^2.山东蓝帆化工有限公司，山东淄博 255400

收稿日期:2021-05-16 修回日期:2021-09-15 出版日期:2021-10-25 发布日期:2021-11-05
通讯作者: 武玉民
作者简介:延晨政哲（1995⁃），男，硕士研究生，从事自修复弹性体方面的研究；E⁃mail：yanczz123@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51872150);山东省自然科学基金项目(ZR2019QB019);山东省生态化工协同创新中心人才基金(XTCXQN11);山东省高校“青创科技计划”项目(2020KJC005);化工学院生态化工国家重点实验室基地开放课题基金(STHG1804)

Preparation and Characterization of Self⁃Healing Silicone Elastomers Based on Dynamic Imine Bonds

Chenzhengzhe Yan¹(), Lizhen Chen², Chuanhui Gao¹, Yumin Wu¹()

^1.College of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266011，China
^2.Shandong Blue Sail Chemical Co. ，Ltd. ，Zibo Shandong 255400，China

Received:2021-05-16 Revised:2021-09-15 Published:2021-10-25 Online:2021-11-05
Contact: Yumin Wu

摘要/Abstract

摘要：

报道了一种将α,ω?氨丙基封端的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS?NH₂）、戊二醛（GA）和三（4?氨基苯基）胺（TAPA）通过席夫碱反应进行交联，合成自修复有机硅弹性体PDMS?GA?TAPA。通过FT?IR和¹H?NMR对PDMS?GA?TAPA的结构进行表征。高温溶解实验证明PDMS?GA?TAPA具有优异的化学稳定性和热稳定性。同时，PDMS?GA?TAPA具有优异的机械强度，其拉伸强度最高可达3.6 MPa，断裂伸长率最高可达112%。此外，通过调节PDMS?GA?TAPA的交联密度，可以实现调节PDMS?GA?TAPA机械性能的目的。将PDMS?GA?TAPA样品在100 ℃处理1 h，该弹性体可以实现自修复，其自修复效率达到83%。

关键词: 自修复, 亚胺键, PDMS交联网络, 有机硅弹性体, 高稳定性

Abstract:

A type of silicone elastomer PDMS?GA?TAPA was prepared based on the Schiff?Base reaction by cross?linking α,ω?aminopropyl terminated polydimethylsiloxane (PDMS?NH₂),glutaraldehyde (GA) and tris(4?aminophenyl)amine (TAPA).The structure of PDMS?GA?TAPA was characterized by FT?IR, ¹H?NMR and PDMS?GA?TAPA, which showed excellent chemical and thermal stability proved by high temperature dissolution experiments.The PDMS?GA?TAPA has excellent mechanical strength,with tensile strength up to 3.6 MPa and elongation at break up to 112%. In addition, the mechanical properties of PDMS?GA?TAPA can be regulated and optimized by adjusting the crosslinking density of PDMS?GA?TAPA.When the PDMS?GA?TAPA was treated on a heating table at 100 ℃ for 1 h, the elastomer could realize self?healing with efficiency up to 83%.

Key words: Self?healing, Imine linkages, PDMS cross?linked network, Silicone elastomers, High stability

中图分类号:

TQ333.93

延晨政哲, 陈利贞, 高传慧, 武玉民. 基于动态亚胺键的自修复有机硅弹性体的制备及性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(5): 9-15.

Chenzhengzhe Yan, Lizhen Chen, Chuanhui Gao, Yumin Wu. Preparation and Characterization of Self⁃Healing Silicone Elastomers Based on Dynamic Imine Bonds[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2021, 34(5): 9-15.

图/表 12

表1 不同组分PDMS?GA?TAPA样品的配方

Table 1 The formulation of different components of PDMS?GA ?TAGA samples

样品	n（戊二醛）	n（PDMS⁃NH₂）	n（三（4⁃氨基苯基）胺）
PDMS⁃GA⁃ TAPA⁃1	10	7.00	2.0
PDMS⁃GA⁃ TAPA⁃2	10	5.50	3.0
PDMS⁃GA⁃ TAPA⁃3	10	4.75	3.5
PDMS⁃GA⁃ TAPA⁃4	10	4.00	4.0

图1 PDMS弹性体的1H?NMR谱图

Fig.1 1H?NMR spectra of PDMS

图2 动态交联的PDMS?GA?TAPA合成方案

Fig. 2 Synthesis scheme of dynamically crosslinked PDMS?GA?TAPA

图3 PDMS?GA?TAPA的FT?IR光谱

Fig. 3 FT?IR spectra of PDMS?GA?TAPA

图4 亚胺键交换反应的机理演示

Fig.4 Mechanistic demonstration of the exchange reaction of imine bonds

图5 不同组成的PDMS?GA?TAPA的凝胶分数和溶胀比

Fig.5 Gel fraction and swelling rate of PDMS?GA?TAPA of different components

表2 PDMS?GA?TAPA物理性质

Table 2 The physical properties of PDMS?GA?TAPA

样品	T_g /℃	溶胀比 /%	凝胶分数/ %	杨氏模量 /MPa	断裂应力/MPa	断裂伸长率/%
PDMS⁃GA⁃TAPA⁃1	120.1	301.2	61.6	0.6±0.1	0.42±0.06	112±16
PDMS⁃GA⁃TAPA⁃2	120.2	224.9	74.9	1.2±0.2	0.52±0.09	75±10
PDMS⁃GA⁃TAPA⁃3	118.7	194.3	80.6	1.6±1.9	1.04±0.20	62±6
PDMS⁃GA⁃TAPA⁃4	120.0	168.3	86.3	1.7±2.1	3.60±0.40	25±3

图6 不同组分的PDMS?GA?TAPA的应力?应变曲线

Fig.6 Stress strain curves of PDMS?GA?TAPA with different components

图7 PDMS?GA?TAPA?3在100 ℃自修复1 h前后的SEM

Fig.7 SEM images of PDMS?GA?TAPA?3 before and after self repair at 100 ℃ for 1 hour

图8 PDMS?GA?TAPA?3自修复前后的应力?应变

Fig.8 Stress?strain diagram of PDMS?GA?TAPA?3 before and after self?healing

图9 不同组分的PDMS?GA?TAPA浸入水中24 h后的吸水率

Fig. 9 Water absorption of different components PDMS?GA?TAPA after immersion in water for 24 hours

图10 PDMS?GA?TAPA?3在不同吸水时间的应力?应变曲线

Fig. 10 Stress?strain curves of PDMS?GA?TAPA?3 at different water absorption time

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Preparation and Characterization of Self⁃Healing Silicone Elastomers Based on Dynamic Imine Bonds

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