可自修复的聚硫弹性体制备及性能研究

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自修复材料具有能自主愈合裂纹和局部损伤的能力,是近年来绿色化学和功能材料领域的研究热点。二硫键因其具有能在温和条件下交换和对多种刺激条件响应等优点,已成为构建自修复材料最重要的可逆共价化学键之一。端巯基液体聚硫树脂主链为含丰富二硫键的饱和结构,具有优异的粘接性、高弹性和耐老化性,常被用于各类粘合密封材料的制备及研究,然而将其用于自修复材料制备的研究还未见报道。本文分别利用氧化物、环氧树脂和异氰酸酯与端巯基液体聚硫树脂反应,制备了若干种可自修复的聚硫弹性体,并对其分子结构、机械性能及自修复性能开展了系统研究。主要研究内容与结果总结如下:(1)可自修复的氧化物固化型聚硫密封胶制备及性能研究本章首次研究了通用的金属氧化物固化型聚硫密封胶自修复性能。利用端巯基液体聚硫树脂与二氧化锰反应,制备了氧化物固化型聚硫密封胶,研究了二氧化锰用量和填料种类及用量对其机械性能和自修复性能的影响。实验结果表明:随着二氧化锰用量从1.75 wt%、2 wt%和2.5 wt%增加至3 wt%,密封胶拉伸强度逐渐增大,但自修复性能呈下降趋势。最优的样品LP55-2拉伸强度1.15 MPa,拉断伸长率478%,切断后75 Φ修复48小时,拉伸强度和拉断伸长率修复效率分别达到92.2%和86.4%。进一步以喷雾炭黑、二氧化钛和气相二氧化硅对样品LP55-2补强,加入2.5 wt%填料时,拉伸强度以喷雾炭黑最优,修复效率以二氧化钛最优。二氧化钛补强的样品拉伸强度1.25 MPa,拉断伸长率507%,切断后75 ℃修复48小时,拉伸强度和拉断伸长率修复效率分别为89.6%和84%。(2)可自修复的环氧固化型聚硫密封胶制备及性能研究本章通过环氧树脂固化的方式可实现自修复聚硫密封胶的制备,以避免金属氧化物的影响,提高其自修复性能。利用端巯基液体聚硫树脂分别与双酚F和双酚A环氧树脂反应,制备了环氧固化型聚硫密封胶,研究了聚硫树脂分子量和交联度对其机械性能和自修复性能的影响。实验结果表明:改变聚硫树脂分子量(Mn=1000~4000)和交联度(交联剂含量0.05%~2%),聚硫密封胶机械性能灵活可调,拉伸强度1.02~0.75 MPa,拉断伸长率157%~478%。较高分子量和较低交联度的聚硫树脂有利于提高聚硫密封胶的自修复性能。最优的样品LP55-F拉伸强度0.75 MPa,拉断伸长率478%,切断后75℃修复60分钟,拉伸强度和拉断伸长率修复效率均可达到91%。样品LP55-F还具有优异的重加工回收能力,重复切碎热压(75℃、5 MPa、20分钟)3次,拉伸强度分别为0.75 MPa、0.72 MPa和0.68 MPa。密封胶在中低温度刺激下具有良好的自修复性能和重加工回收性能。(3)可自修复的聚硫聚氨酯-脲制备及性能研究本章利用聚氨酯-脲结构增强聚硫弹性体,制备出兼具良好力学强度、自修复性能和重加工回收性能的聚硫聚氨酯-脲。利用端巯基液体聚硫树脂与IPDI反应得到异氰酸酯封端的预聚体,再与芳香胺固化剂反应制备了聚硫聚氨酯-脲,研究了硬段含量和软段分子量对其机械性能和自修复性能的影响。实验结果表明:调整硬段含量15%~25%,聚硫聚氨酯-脲拉伸强度2.62~5.80 MPa。较低的硬段含量和较高分子量的软段聚硫树脂有利于提高聚氨酯-脲的自修复性能。优选硬段含量15%的样品PSPU-15拉伸强度2.62 MPa,拉断伸长率787%,切断后75 0C修复48小时,拉伸强度修复效率达到95%,约为聚醚聚氨酯-脲自修复效率的2倍。样品PSPU-15还具有优异的重加工回收能力,重复切碎热压3次后,拉伸强度仅下降8.4%。(4)可自修复的聚硫聚脲制备及性能研究本章利用二硫键动态可逆性,提出了合成芳香胺基封端聚硫齐聚物的一种新方法,并将聚脲结构引入聚硫弹性体,进一步提高了聚硫基自修复材料的拉伸强度。利用端巯基液体聚硫树脂和4,4’-二硫代二苯胺反应并经过巯基氧化偶联,合成了一种新型芳香胺基封端的聚硫齐聚物,进一步采用该齐聚物与异氰酸酯(IPDI和TDI)反应制备了聚硫聚脲,并研究其机械性能和自修复性能。实验结果表明:采用脂环族异氰酸酯固化有利于提高聚硫聚脲的自修复性能,其制备的样品A-LP23-I拉伸强度3.32 MPa,拉断伸长率396%,切断后75℃修复48小时,拉伸强度和拉断伸长率修复效率均可达到91%。
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