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技術(shù)科普：如何用溶劑熱固化方法改性二甲基硅氧烷橡膠

文章出處：廣東帝博科技有限公司人氣：-發(fā)表時間：2021-04-09

硅橡膠制品具有優(yōu)良的耐高、低溫性能，電絕緣性、耐氣候老化性，透氣性好等特點，在電子、醫(yī)療、日用品等行業(yè)廣泛應(yīng)用。然而，目前所報告的對硅橡膠的改性大多側(cè)重于硅橡膠化學(xué)成分的變化，包括分子鏈的設(shè)計，引入其他組分以及填充顆粒等方法。通過這些改進能夠?qū)枘z的拉伸性，模量，親疏水性能進行調(diào)控。

這種添加額外組分的方法，在增強硅膠性能和拓展其應(yīng)用的同時，也有可能會限制了這類改性硅膠在原有領(lǐng)域的應(yīng)用。成本增加、合成工藝改變、成分不同以及化學(xué)性質(zhì)的改變等等問題，都會對最終應(yīng)用產(chǎn)生較大的影響。

如何在不改變硅膠組分以及分子鏈網(wǎng)絡(luò)本身的前提下，去可控的改性硅橡膠的組分，仍然是一項重要挑戰(zhàn)。

近日，中科大俞書宏院士報道了通過在固化過程中引入溶劑，展示了一種新穎、簡便、低成本的聚二甲基硅氧烷橡膠（PDMS）性能改性方法。

在不改變硅氧烷分子鏈和聚合原料的情況下，僅利用溶劑以及水熱限域合成的固化策略來控制硅氧烷聚合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)對硅氧烷拉伸性、柔軟性和粘性等性能的可控改性。

水熱溶劑熱法合成超柔高彈PDMS的機理展示

（1）水熱溶劑熱法制備超柔高彈PDMS (S-H-PDMS)

作者選擇了一種商業(yè)的高分子量端基乙烯基聚二甲基硅氧烷作為PDMS的預(yù)聚體。將預(yù)聚物按指定比例混合，并加入硅氧烷的良溶劑分散（這里選用的是正己烷），充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓湃胩胤埲萜髦校?20℃下反應(yīng)2h，得到與加入的混合溶液體積一樣的透明PDMS油凝膠。與常見溶脹狀態(tài)下的水凝膠類似，這種油凝膠表現(xiàn)出透明、柔軟、以及較好彈性性能。

隨后，作者將凝膠在正己烷中長時間浸泡，反復(fù)多次去除里面可能含有的未反應(yīng)的單體，然后置于室溫干燥揮發(fā)去除里面溶劑后，凝膠樣塊會隨著正己烷在空氣中揮發(fā)而收縮，最終等比例縮小，得到了溶劑熱固化的PDMS高彈硅膠（S-H-PDMS）。

對比發(fā)現(xiàn)，在正己烷中多次浸泡去除多余單體并干燥后，S-H-PDMS的密度和外觀與正常固化的PDMS （N-H-PDMS）幾乎相同。紅外表征顯示，其內(nèi)部分子官能團也未發(fā)生明顯變化，但是其力學(xué)性能卻得到了極大的改進。

S-H-PDMS的合成方法及樣品性能

（a）S-H-PDMS的合成方法簡圖。

（b）溶脹狀態(tài)S-H-PDMS的照片。

（c）干燥之后的S-H-PDMS的照片。

（d）普通方法固化的高分子量PDMS的照片。

（e）溶劑熱法固化的高分子量PDMS的照片。兩者具有幾乎相同的透明度。

（f）兩種合成方法得到的PDMS紅外表征圖譜，其內(nèi)部官能團基本未發(fā)生變化。

（g）相較于傳統(tǒng)的PDMS材料，S-H-PDMS表現(xiàn)出超柔高彈的性能。

（2）通過簡單的溶劑比例調(diào)控方法可控合成不同力學(xué)性能的硅彈性體

在水熱溶劑熱合成方法中，作者可以通過調(diào)控硅氧烷良溶劑的比例來可控制備出具有不同拉伸性能以及強度的PDMS。當(dāng)溶劑添加量增多時，其硅彈性體的交聯(lián)度越低，拉伸性能越好，彈性模量也越低。這種簡單的調(diào)控策略可以非常高的滿足諸多不同場合所對硅彈性體的性能要求。

不同溶劑比例合成的硅彈性體性能測試

（a）不同配比下，硅彈性體形貌變化照片。

（b）隨著溶劑比例的增高，硅彈性體力學(xué)性能變化曲線。

（c）20：1溶劑配比下硅彈性體的超高拉伸性能圖片。

（d）不同溶劑配比下硅彈性體強度變化。

（e）溶劑比例的變化對PDMS交聯(lián)度的影響柱狀圖。

（3）較好的黏附以及溶脹性能讓這種方法合成的PDMS應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊

當(dāng)溶劑添加量到10：1以上時，PDMS還能表現(xiàn)出優(yōu)異的黏性以及超高的吸油溶脹性能，從而讓這種材料在人造皮膚，傳感器以及海面浮油收集領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用潛力。基于此，作者還制備出了一款高靈敏度的有機溶劑傳感器，對不同極性的有機溶劑有著非常好的區(qū)分性能。