基于可逆酰腙键的自修复聚氨酯的制备与性能研究

由双丙酮醇和对苯二甲酸二酰肼反应生成酰腙键得到羟基封端的功能性扩链剂(命名为AAD)。将亲水性良好且广泛应用于生物医用聚氨酯材料的二官能度多元醇(聚己内酯二元醇PCL-210)和三官能度聚醚多元醇(TEP-240)分别与MDI-50反应生成端异氰酸酯基团的聚氨酯预聚体,将二者按照一定比例混合,并加入AAD交联得到自修复聚氨酯。根据修复前后拉伸强度和断裂伸长率的恢复值表征其自修复性能,表明室温下修复24h后其拉伸强度恢复至94.6%,断裂伸长率恢复至原始试样的76.3%。     

基于多重动态共价键的环氧类玻璃网络的制备与性能

以三羟甲基丙烷三缩水甘油醚(TTE)为基体, 2,2′-(1,4-亚苯基)-双[4-硫醇1,3,2-二氧杂戊烷](BDB)和3,3-二硫代二丙酸(DTDPA)为交联剂, 通过环氧-巯基“点击”反应和环氧-羧酸酯化反应, 制备了基于多重动态共价键(硼酸酯键、 二硫键和酯键)的环氧类玻璃网络. 利用红外光谱和拉曼光谱对其结构进行了表征, 结果表明, 环氧类玻璃中不仅存在硼酸酯键、 二硫键和酯键, 还存在可逆氢键, 并且大量氢键的存在能提高环氧类玻璃的交联度. 对所得环氧网络的热稳定性、 热机械性能和力学性能进行了测试, 并对基于多重动态共价键环氧网络进行了自修复、 焊接、 形状记忆和再加工能力测试. 结果表明, 在80 ℃下可实现网络的完全自修复、 再加工与焊接, 且焊接后样品的力学性能(拉伸强度)恢复率在80%以上, 具有优异的功能性.     

基于氢键和Diels-Alder键双重网络自修复弹性体的合成与性能

基于氢键作用和Diels-Alder (DA)交联的双可逆网络,制备了一种高性能、高修复效率的自修复弹性体.首先使用异氰酸正丁酯和N-(2-羟乙基)丙烯酰胺合成氨基甲酸酯小分子(简称为HM),然后将HM、丙烯酸丁酯(BA)及甲基丙烯酸糠酯(FMA)共聚得到线形共聚物,最后用双马来酰亚胺(BMI)通过DA反应交联线形共聚物,得到既有氢键交联,又有DA键交联的双网络自修复弹性体.当受到外力时,键能较低的氢键先断裂消耗能量,使得材料的韧性提高了6.2倍,断裂强度提高了12.3倍;而DA键则赋予了材料较高的弹性和形状回复能力.除此之外,两重网络均为可逆网络,使材料的自修复效率高达98%.     

基于多重可逆作用的自修复聚氨酯弹性体的制备及性能

在聚氨酯主链上引入可逆二硫键, 同时使用硼酸构建的硼酸酯键作为可逆交联点, 使聚氨酯内部形成交联网络结构, 制备了一种兼具高强度、 高韧性及高修复效率的自修复聚氨酯弹性体. 红外光谱、 动态力学分析、 力学测试、 电子显微镜及修复测试结果表明, 制备的自修复聚氨酯具有硬而韧的特性, 原样强度高达23.3 MPa, 断裂伸长率可达1177%, 并且修复条件温和, 剪断拼接的试样经60 ℃, 24 h修复后可恢复99%的原样强度, 且该修复过程可重复多次进行. 此外, 该材料还具有多通道修复特性, 通过热修复或水辅助热修复的方式均可实现材料的修复, 并且水辅助热修复速率更快.     

基于Diels-Alder反应的自修复聚氨酯的结构与修复行为

采用呋喃封端的聚氨酯预聚体与双马来酰亚胺反应,合成了基于Diels-Alder(DA)反应的热可逆自修复聚氨酯(PU-DA).利用FTIR、DSC和gel-solution-gel方法对其分子结构、热性能及其可逆性进行了表征,结果表明,具有热可逆性的DA键被成功引入到聚氨酯中,从而赋予聚氨酯具有良好的再加工性能和自修复性能.通过偏光显微镜观测对材料的自修复行为进行了考察,结果表明,由于DA反应的热可逆性,0.5 mm深度划痕的聚氨酯试样在120℃热处理300 s或130℃热处理150 s后划痕便可消失,从而实现了划痕的自修复.并且模拟实际生活中聚合物材料受到轻微损伤时的情况,通过拉伸试验对0.5 mm深度划痕有效自修复的热处理温度和时间进行了确定,并对同一受损部位多次刻划-修复的修复效率进行了详细研究,结果表明:在120℃处理15 min可达到最佳修复效果,其一次修复效率可达71%,同一受损部位经过3次刻划—修复后,其修复效率仍能达到35%.     

基于光化学反应制备的本征型自修复涂层研究进展

本文简要介绍了基于光化学反应制备的本征型自修复涂层研究进展,重点介绍了基于双硫键交换、基于Diels-Alder可逆反应、基于氢键作用、基于光二聚反应,以及基于自填充作用的自修复涂层,对涂层的制备方法、自修复机理及修复效率进行了简要阐述,并对基于光化学反应制备的本征型自修复涂层在未来的发展及应用进行了展望。     

无过渡金属条件下喹啉C5位碳-氢键官能化反应

喹啉是一类重要的杂环化合物,喹啉类化合物的合成方法研究备受关注。通过喹啉的碳-氢键直接官能化反应制备取代喹啉类衍生物是一种简便而有效的方法。然而,喹啉的C5位选择性碳-氢键官能化反应仍然存在挑战,目前大多在过渡金属催化下实现,无过渡金属条件下的反应亟待开发。本文按成键类型(碳-卤键、碳-氮键、碳-氧键、碳-硫键和碳-碳键)分类综述了近年来在无过渡金属条件下喹啉C5位碳-氢键官能化反应的研究进展,并对该领域的研究现状及所存在的问题进行了总结。     

高醚化三聚氰胺甲醛树脂交联水性聚氨酯的制备与表征

合成了高醚化三聚氰胺甲醛树脂(HMMM)交联改性含聚乙二醇单甲醚(Ymer N120)亲水基团的阴离子型水性聚氨酯。 通过全反射红外(ATR-FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、电子拉力机等技术手段表征了改性后的水性聚氨酯胶膜结构、热性能和力学性能。 结果表明,随着HMMM质量分数的增加,聚氨酯胶膜中氢键相互作用减弱,胶膜耐热性、耐水性、拉伸强度、粘接性均有所提高;当HMMM为8%时,聚氨酯胶膜的拉伸强度增加了125%,T-型剥离强度增加了7.4 N/cm,硬段最大热分解速率对应温度增加了38 ℃。 此外,交联水性聚氨酯胶膜的耐水性也得到了很大程度的提高。     

面向可持续发展的高分子科学教学实验设计：含席夫碱型动态共价键的可修复热固性材料的制备与表征

可自修复、可重复利用的热固性材料的设计与开发，是近年高分子材料的研究热点之一。本着为高分子教学实验探索更多可能性的初衷，本工作采用对苯二甲醛、双官能度聚醚胺和三官能度聚醚胺为原料，构建了席夫碱型的交联网络结构，成功制备了一种可自修复、可重塑的热固性材料。由于材料中含有大量的亚胺键（■），在中温（80～100℃）下发生快速且可逆的亚胺网络重排反应，材料表现出良好的自修复和重塑行为。实验条件温和且操作简便，适合作为材料类教学实验和中学生科普实验进行推广。     

巯基-烯光点击反应辅助合成多官能度蓖麻油基聚氨酯丙烯酸酯

研究巯基-烯光点击反应辅助合成多官能度蓖麻油基聚氨酯丙烯酸酯。首先通过光引发的巯基-烯点击反应,于蓖麻油分子上引入巯基乙醇,形成多羟基化合物,然后加入丙烯酸羟丙酯与异佛尔酮二异氰酸酯,以物质的量为1:1反应得到端异氰酸酯丙烯酸酯,最终得到蓖麻油基聚氨酯丙烯酸酯。通过调节羟基含量可以得到不同官能度的丙烯酸酯。采用红外光谱、核磁氢谱、热重分析等手段表征其结构和性能,并测试了合成的聚氨酯丙烯酸脂的吸水率、附着力等性能,同时考察了它的热稳定性。结果表明, 在紫外光照射下,巯基和不饱和双键之间发生了加成反应;该聚合物的固化膜性能得到提高,尤其是硬度和热稳定性。由本文快速合成方法得到的树脂性能良好,具有较好的应用前景,扩大了巯基-烯光点击反应在高性能UV固化材料方面的应用范围。     

水性可紫外光固化的硫代聚氨酯分散体的制备

本文利用巯基-点击化学制备了一系列水性可光固化的硫代聚氨酯分散体,即通过连续的巯基-异氰酸酯和巯基-迈克尔加成反应分别合成硫代聚氨酯和聚硫醚：首先,二异氰酸酯与过量的二元硫醇反应生成端基为巯基的硫代聚氨酯低聚物,然后与合成的二丙烯酸酯单甲基丙烯酸酯进行巯基-迈克尔加成反应,得到侧基为甲基丙烯酸酯的硫代聚氨酯树脂,最后,巯基乙酸与端基上的丙烯酸酯反应,提供树脂的亲水基团。将树脂分散在水中后,得到半透明的可光固化硫代聚氨酯分散体。树脂的主链上含有硫醚键,可以有效克服氧阻聚效应,得到较高的转化率;侧基上带有很多可光聚合的甲基丙烯酸酯基团,光聚合后固化膜的交联密度非常高,因而也具有较高的玻璃化转变温度。     

双交联网络有机硅弹性体的制备及其自修复性能研究

首先通过水解缩合法制备出了不同巯基含量的无色透明巯基硅油(PDMS-SH),然后通过PDMS-SH与端乙烯基硅油的光诱导点击反应和羧基硅油与氨基硅油的热可逆动态离子交联构建出可逆/不可逆杂化双交联网络,制备出一种可快速UV固化及优异自修复性的有机硅透明弹性体.辐照强度为70 mW/cm~2,Darocur1173加入量为1.0 wt%,―SH/―Vi摩尔比为1.5/1时,巯基-烯点击聚合具有较高的凝胶率、转化率及聚合速率,且固化速率不受离子交联网络的影响.巯基-烯初网络形成后,进一步加热可促进离子网络的形成,提高弹性体力学性能.此外,动态离子交联网络在弹性体中均匀分布.增加离子交联网络可有效降低松弛活化能,有利于应力松弛及动态可逆性,同时热处理工艺有利于动态离子网络的移动及解离-重组过程,从而有利于双网络结构的形成及修复效率的提升.更重要的是,选用巯基硅油DE/15及离子交联网络含量仅15 wt%时,弹性体具有较优力学性能及自修复效率,多次修复后的修复效率仍可高达90%以上,同时快速固化的弹性体具有高达90%以上的可见光透光率.为基于可逆动态离子缔合诱导的快速固化自修复透明有机硅材料提供一种新型可行的制备方法.     

巯基/乙烯基硅氮烷紫外光固化的研究

利用原位红外跟踪技术和光-示差扫描量热技术研究了不同类型多官能巯基化合物与乙烯基硅氮烷的紫外光聚合动力学过程.结果表明,巯基化合物官能度越高,聚合反应速率越高,但最终转化率越低.巯基丙酸酯类化合物比烷基硫醇类化合物更易与乙烯基硅氮烷反应.在较低温度下,反应温度对聚合反应的影响较弱,反应活化能约为2.3kJ/mol,而较高反应温度下反应速率偏离Arrhenius方程.     

氢键型碳纳米管增强自修复复合材料的制备和表征

使用低聚酸、二乙烯三胺以及尿素为原料,碳纳米管为增强剂,制备出兼具良好力学性能和室温(30 ℃)自修复性能的氢键型自修复复合材料,同时对材料通过氢键进行自修复的机制进行了合理推测。 首先,对不同碳纳米管添加量的自修复材料进行应力-应变性能测试。 结果发现,随着碳纳米管的添加,材料的应力、应变均有所提高,添加质量分数9%碳纳米管时,材料的应力达到4.1 MPa、应变达到6%以上。 对添加质量分数9%碳纳米管的自修复材料进行表面形态、自修复性能以及热稳定性能测试。 结果表明,碳纳米管与材料有良好的相容性,材料的表面与切面形态相似;在室温下自修复24 h,自修复效率达到100%;10次断裂-修复循环中自修复效率仍能保持90%以上;材料具有良好的热稳定性,最大失重速率下的温度为474.3 ℃。 为下一代类皮肤传感器以及可穿戴智能设备提供了一种选择,为未来该类型自修复聚合物复合材料在高拉伸强度领域的应用奠定了技术基础。     

聚氨酯制备的多尺度模拟方案

针对聚氨酯材料特性设计了多尺度计算机模拟方案,并研究了不同原料及相同原料但不同官能度对所制备的聚氨酯材料力学性能和玻璃化转变温度的影响.基于原子级别的结构,建立了耦合聚合反应的粗粒化耗散粒子动力学模型来描述组分扩散及交联网络结构的形成过程.并反映射这个粗粒化结构到全原子级别来分析材料的力学性能和热力学性能.这个多尺度研究方案也可推广到研究多个竞争性因素同时主导的复杂体系中.     

聚氨酯制备的多尺度模拟方案

针对聚氨酯材料特性设计了多尺度计算机模拟方案, 并研究了不同原料及相同原料但不同官能度对所制备的聚氨酯材料力学性能和玻璃化转变温度的影响. 基于原子级别的结构, 建立了耦合聚合反应的粗粒化耗散粒子动力学模型来描述组分扩散及交联网络结构的形成过程. 并反映射这个粗粒化结构到全原子级别来分析材料的力学性能和热力学性能. 这个多尺度研究方案也可推广到研究多个竞争性因素同时主导的复杂体系中.     

有机硅自修复材料

有机硅自修复材料在可穿戴装备、智能涂层等领域有广泛应用。本文分别从外援型和本征型两大类介绍了有机硅自修复材料的特点、修复机理和最新研究进展。在外援型有机硅自修复材料中,主要介绍了利用光引发自由基反应、缩合固化、硅氢加成等有机硅特异性反应实现自修复。在本征型有机硅自修复材料中介绍了利用Diels-Alder反应、酰腙键、酯键、Schiff base结构等可逆化学反应,金属-配体配位作用以及氢键、π-π堆叠作用等超分子作用,实现自修复功能的途径及特点;除此之外还介绍了最小化表面自由能、巯基与纳米银之间的键合作用和重构反应等有机硅自修复实例。最后,本文指出了有机硅自修复材料面临的问题并对今后的发展方向进行了展望。     

利用聚乙烯醇结晶辅助制备多重交联的高强度聚丙烯酰胺水凝胶

在表面带有C=C双键的乙烯基杂化二氧化硅纳米颗粒(vinyl hybrid silica nanoparticle,VSNP)上接枝丙烯酰胺(AM),所得到的纳米刷状凝胶因子通过聚丙烯酰胺(PAM)间的氢键形成物理交联点,则多官能化的VSNP可作为拟共价交联点构筑双重交联的单一网络纳米复合物理水凝胶(nanocomposite physical hydrogel,NCP gel),表现出较高的强度和超拉伸性.为了进一步提高凝胶的强度和韧性,将少量PVA和PAM/VSNP纳米刷混合制成凝胶,通过冷冻-融化处理,使与PAM分子链相互缠绕并形成氢键作用的PVA结晶,形成新的交联点进一步交联PAM NCP gel,得到多交联的PAM NCP gel体系.通过拉曼光谱和示差扫描量热分析,证明凝胶中的PVA通过氢键既可以与PAM相互作用,又形成微晶为新交联点,大大增强了NCP gel的力学性能,与PAM NCP gel相比,凝胶的拉伸强度和断裂能分别从313 k Pa和1.41×104 J/m~2提高到了557k Pa和4.65×104 J/m~2.     

蓖麻油交联改性对室温自愈合聚氨酯性能的影响

以蓖麻油(CTO)或三羟甲基丙烷(TMP)作为交联剂,合成了一系列自愈合聚氨酯弹性体(PU)。借助核磁共振仪和红外光谱仪分析了产物结构,通过电子拉力试验机研究了交联剂添加量对PU的力学性能以及自愈合性能的影响。结果表明:CTO和TMP均能提高PU的拉伸强度,但是断裂伸长率会降低。随着交联剂用量的增加,PU内部交联度提升,自愈合性能下降。当PPG与TMP的物质的量之比为6∶4时,自愈合能力消失。在交联剂用量相同的情况下,CTO交联PU的自愈合性能保留效果比TMP交联PU更好。随着CTO用量的增加,断裂后愈合PU的拉伸强度先增加后减小。当聚丙二醇(PPG)与CTO的物质的量之比为7∶3时,总体性能最佳,在提高样品拉伸强度的同时,其自愈合后的拉伸强度恢复率为80.95%。     

酮肼交联及硅烷偶联水性聚氨酯的成膜机理及其性能研究

用二乙醇胺(DEA)和双丙酮丙烯酰胺(DAAM)按Michael加成反应机理合成了一种新的聚氨酯扩链剂DDP(N-[(1,1-二甲基-2-乙酰基)乙基]-β-二羟乙氨基丙酰胺).以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG1000)、二羟甲基丙酸(DMPA)、三羟甲基丙烷(TMP)等为主要原料,在用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)封端改性聚氨酯的基础上,采用自制含酮羰基二元醇N-[(1,1-二甲基-2-乙酰基)乙基]-β-二羟乙氨基丙酰胺(DDP)和1,4-丁二醇(BDO)作为扩链剂,制备了侧链含酮羰基的聚氨酯乳液.通过外加己二酸二酰肼(ADH),制得室温自交联乳液.利用衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)和核磁共振波谱(NMR)对扩链剂(DDP)和涂膜结构进行表征,ATR-FTIR和NMR测试证实了DDP的生成并参与反应合成了聚氨酯及乳液成膜时酮肼交联反应的发生.研究了n(—NHNH2)/n(—CO—)、n(NCO)/n(OH)、DDP含量对聚氨酯涂膜性能的影响.结果表明,在己二酸二酰肼(ADH)的用量为0时,涂膜的吸水率随DDP含量的增加而增大;n(NCO)/n(OH)1.40时,聚氨酯难以乳化并且乳液稳定性变差;在最佳配比n(—NHNH2)/n(—CO—)=1,n(NCO)/n(OH)=1.40的条件下,DDP%从0增大到7.22%时,涂膜的吸水率从39.36%降低到18.92%同时表现出很好的耐溶剂性能,交联度从51.49%上升至90.23%,拉伸强度从20.09MPa增大到28.26MPa,硬度达2H.热失重分析(TGA)表明酮肼交联结构的引入提高了涂膜的热稳定性.