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用石墨 烯制备高强度的刚性自修复材料

日期:2018/9/26 17:11:42 访问量:0 次

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 最近,南京大 学化学化工学院、配位化 学国家重点实验室李承辉副教授和左景林教授带领的团队利用“积弱成强”的策略 得到了一种高强度刚性自修复材料。他们设 计了一种侧链含有大量羧基的短链聚甲基硅氧烷单体,利用它 与金属锌形成的弱配位键交联得到力学强度非常高的高分子材料,其杨氏模量接近500 MPa。由于金 属锌与羧酸之间的配位平衡反应受温度控制,当温度 升高时往配合物解离方向移动,产生游 离的短链聚甲基硅氧烷单体和金属锌离子;而在温 度降低时往配合物生成方向移动,重新形 成三维交联的高分子。因此这 种高分子虽然在低温下呈现硬而脆的性质,但在加 热时变得软而弹,具有良 好的热塑性和热修复性。

 

图一:PDMS-COO-Zn聚合物的制备及表征


        其中,通过掺杂石墨烯来提高 复合材料导电性。当石墨烯的含量为25wt%,复合材 料具有最高的导电效率,电导率高达850scm ?1。导电复 合材料的机械强度随着石墨烯掺杂比的增加而增大。

图2 PDMS-COO-Zn聚合物 的机械和热性能



       该材料 在多方面具有良好的应用前景。其中之一是可进行3D打印。3D打印技 术是本世纪制造业领域迅速发展的一项新兴技术。但3D 打印技 术也有其自身的缺点:首先,通过3D打印材 料所制备的产品,由于是 一次整体成型的,而且都是独一无二的,在自身 产生微裂纹或受到外界破坏后,无法通 过更换零部件的方式进行修复,只能整体废弃。这样一来,将增加 产品的维护成本,并造成极大的浪费;其次,3D打印产 品的尺寸受到打印机尺寸的限制,通常的3D打印机 无法打印比自身更大尺寸的物件;另外,3D打印中 逐层成型的过程导致所得到的物件机械力学性质各向异性,在使用 过程中容易产生裂纹、变形等破损。将自修复技术引入到3D打印中 则可有效解决这些问题。利用该 材料打印出来的产品受损之后可以快速修复,通过打 印小物件然后利用自修复技术能够将小物件组装成一体化的大物件,同时打 印出来的产品具有各向同性的机械力学性质。因此,利用自 修复材料可以将传统砖块堆砌方法和现代3D打印技 术的优势结合起来,使3D打印更加随心所欲!

图三:PDMS-COO-Zn聚合物 的热愈合和再成形性能

        同时,该材料 还可用于医用外固定支架。外固定 材料是临床骨科与矫形外科常用的消耗性医用卫生材料。石膏绷 带是目前临床最常用的外固定材料之一。其主要 优点是对皮肤无毒副作用,强度较高,操作时水温低。然而,石膏绷 带存在着许多缺陷,如:透X射线性差、透气性差、质量重等,此外,打石膏时操作复杂,给医护 人员带来许多不便。该研究 获得的高强度刚性自修复材料在能够加热修复的同时,还具有 优良的温敏性质:常温下强度非常高,类似于热固性材料;而在加热时(50-70℃)又具有 热塑性材料的性质,可以反复加工。从而可 以作为外固定材料在临床骨科与矫形外科中应用。相比于同类材料,该材料具有诸多优点,例如成本低,跟石膏绷带不相上下;热变形温度低,制作使用方便,并且可 以适应人体任何部位的形状;强度高,硬度较 大且硬化后不变形;对皮肤无毒副作用;质量轻,不怕水,透气,不影响 伤员的日常活动;可方便 拆卸和循环利用等。

 

PDMS-COO-Zn聚合物的应用

 

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