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用石墨烯制備高強度的剛性自修復材料
2018/7/30 8:40:25

        最近,南京大學化學化工學院、配位化學國家重點實驗室李承輝副教授和左景林教授帶領的團隊利用“積弱成強”的策略得到了一種高強度剛性自修復材料。他們設計了一種側鏈含有大量羧基的短鏈聚甲基硅氧烷單體,利用它與金屬鋅形成的弱配位鍵交聯得到力學強度非常高的高分子材料,其楊氏模量接近500 MPa。由于金屬鋅與羧酸之間的配位平衡反應受溫度控制,當溫度升高時往配合物解離方向移動,產生游離的短鏈聚甲基硅氧烷單體和金屬鋅離子;而在溫度降低時往配合物生成方向移動,重新形成三維交聯的高分子。因此這種高分子雖然在低溫下呈現硬而脆的性質,但在加熱時變得軟而彈,具有良好的熱塑性和熱修復性。

 

圖一:PDMS-COO-Zn聚合物的制備及表征


        其中,通過摻雜石墨烯來提高復合材料導電性。當石墨烯的含量為25wt%,復合材料具有最高的導電效率,電導率高達850scm ?1。導電復合材料的機械強度隨著石墨烯摻雜比的增加而增大。

圖2 PDMS-COO-Zn聚合物的機械和熱性能



       該材料在多方面具有良好的應用前景。其中之一是可進行3D打印。3D打印技術是本世紀制造業領域迅速發展的一項新興技術。但3D 打印技術也有其自身的缺點:首先,通過3D打印材料所制備的產品,由于是一次整體成型的,而且都是獨一無二的,在自身產生微裂紋或受到外界破壞后,無法通過更換零部件的方式進行修復,只能整體廢棄。這樣一來,將增加產品的維護成本,并造成極大的浪費;其次,3D打印產品的尺寸受到打印機尺寸的限制,通常的3D打印機無法打印比自身更大尺寸的物件;另外,3D打印中逐層成型的過程導致所得到的物件機械力學性質各向異性,在使用過程中容易產生裂紋、變形等破損。將自修復技術引入到3D打印中則可有效解決這些問題。利用該材料打印出來的產品受損之后可以快速修復,通過打印小物件然后利用自修復技術能夠將小物件組裝成一體化的大物件,同時打印出來的產品具有各向同性的機械力學性質。因此,利用自修復材料可以將傳統磚塊堆砌方法和現代3D打印技術的優勢結合起來,使3D打印更加隨心所欲!

圖三:PDMS-COO-Zn聚合物的熱愈合和再成形性能

        同時,該材料還可用于醫用外固定支架。外固定材料是臨床骨科與矯形外科常用的消耗性醫用衛生材料。石膏繃帶是目前臨床最常用的外固定材料之一。其主要優點是對皮膚無毒副作用,強度較高,操作時水溫低。然而,石膏繃帶存在著許多缺陷,如:透X射線性差、透氣性差、質量重等,此外,打石膏時操作復雜,給醫護人員帶來許多不便。該研究獲得的高強度剛性自修復材料在能夠加熱修復的同時,還具有優良的溫敏性質:常溫下強度非常高,類似于熱固性材料;而在加熱時(50-70℃)又具有熱塑性材料的性質,可以反復加工。從而可以作為外固定材料在臨床骨科與矯形外科中應用。相比于同類材料,該材料具有諸多優點,例如成本低,跟石膏繃帶不相上下;熱變形溫度低,制作使用方便,并且可以適應人體任何部位的形狀;強度高,硬度較大且硬化后不變形;對皮膚無毒副作用;質量輕,不怕水,透氣,不影響傷員的日常活動;可方便拆卸和循環利用等。

 

PDMS-COO-Zn聚合物的應用

 

論文標題:A rigid and healable polymer cross-linked by weak but abundant Zn(II)-carboxylate interactions

第一作者:博士生賴建誠

通訊作者:李承輝副教授和左景林教授

石墨烯來源:江蘇先豐納米材料科技有限公司


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