技術科普：如何用溶劑熱固化方法改性二（èr）甲基矽氧烷橡膠

發表（biǎo）時間：2021-04-09

矽橡膠製品具有優良（liáng）的耐高、低溫性能，電（diàn）絕緣性、耐（nài）氣（qì）候老（lǎo）化性，透氣性好等特點，在電子、醫療、日用品等行業廣泛應用。然而，目前所報告（gào）的對矽橡膠的改性（xìng）大多側重於矽橡膠化學成（chéng）分的變化，包括分子鏈的設計，引（yǐn）入（rù）其他組分以及填充顆粒（lì）等（děng）方（fāng）法。通過這些改進能（néng）夠對矽膠的拉伸性，模量，親疏水（shuǐ）性（xìng）能進行調控。

這種添加（jiā）額外組分的方（fāng）法，在增強矽（guī）膠（jiāo）性能（néng）和拓展其應用的同時，也有可能會限製了這類改性矽膠在（zài）原有（yǒu）領域的應用。成本增加、合成（chéng）工藝改變（biàn）、成分不同以及化學性質的改變等等問題，都會對（duì）最終應用產生較大的影響。

如何（hé）在不改變矽膠組分以及分子鏈網絡本身的（de）前提下（xià），去可控的改性矽橡膠的組分，仍然是一項重要挑戰。

近日，中（zhōng）科大俞書（shū）宏院士報道了通過在固化過（guò）程中引入溶劑，展示了一（yī）種新穎、簡便、低成本的聚二甲基矽（guī）氧烷橡膠（PDMS）性能改性（xìng）方法。

在不改（gǎi）變矽氧烷分子鏈和聚合原（yuán）料的情況下，僅利用溶劑以及水（shuǐ）熱（rè）限域合成的固化策（cè）略來控製矽氧烷聚合網絡結構，即可實現（xiàn）對矽氧烷拉伸性、柔（róu）軟性和粘性等性能的可控改（gǎi）性。

水熱溶劑熱法合成超柔高彈PDMS的機理展示

（1）水熱溶劑熱法製備超柔（róu）高彈PDMS (S-H-PDMS)

作（zuò）者選擇了一種商業的高分子量端基乙烯基聚二甲基矽（guī）氧烷作為PDMS的預聚體。將預聚物按指定比例混合，並加入矽氧烷的良溶劑分散（這裏選用的是正己烷），充分攪拌均勻後放入特氟龍容器中，在（zài）120℃下反應2h，得到與加入的混合溶液體積一樣的透明PDMS油凝膠。與常見溶脹狀態下的水凝膠類似，這種油凝膠表現出透明、柔（róu）軟、以（yǐ）及較好彈性性能。

隨後，作者將凝膠在正己烷中長時間浸泡，反複多（duō）次去除裏麵可能含（hán）有的未反應的（de）單體，然後置於室溫幹燥（zào）揮發去除裏麵溶劑（jì）後，凝（níng）膠樣塊會隨著正己烷在空氣中揮發而（ér）收縮，最終等比例縮小，得到了溶劑（jì）熱固（gù）化的PDMS高彈矽膠（S-H-PDMS）。

對比發現，在正己烷中多次浸泡去除（chú）多餘單體並幹燥後，S-H-PDMS的（de）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（fèn）子官能團也未發生明顯變化，但是其力學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（hé）成方法簡圖。

（b）溶脹（zhàng）狀態S-H-PDMS的照片。

（c）幹燥之後的S-H-PDMS的照片。

（d）普通方法固化的（de）高分子量PDMS的照（zhào）片。

（e）溶劑熱法固化的高分子量PDMS的照片。兩者（zhě）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（wèi）發生變化。

（g）相較於傳統的PDMS材料（liào），S-H-PDMS表現出超柔高彈的性（xìng）能。

（2）通過簡單（dān）的溶劑（jì）比例調控方法可控合（hé）成不同力學性能的矽（guī）彈性體

在水熱溶劑（jì）熱合成（chéng）方法中，作者可以通過調控矽（guī）氧烷良溶劑的比例來可控製備出具有不同拉伸性能以及強度的PDMS。當溶劑（jì）添（tiān）加量增多時，其矽彈性體的交聯度越（yuè）低，拉伸性（xìng）能越好，彈性模量也越（yuè）低。這種簡單（dān）的調控策略可（kě）以非常高的滿足諸多不（bú）同場合所對矽彈性體的性能要求。

不同溶劑比例合成的矽彈性體性能測試

（a）不同配比下，矽彈性體形貌變化照片。

（b）隨著溶劑比例的（de）增高（gāo），矽彈性體力學（xué）性能變化曲線。

（c）20：1溶劑配比下矽（guī）彈性體的超高拉伸性能圖片。

（d）不同溶劑配（pèi）比下矽彈性體強度變化。

（e）溶劑比例的變化對PDMS交聯度的影響（xiǎng）柱狀圖。

（3）較好的黏附以及溶脹性能讓這種方法合成的PDMS應用領域更為廣闊

當溶劑添加（jiā）量到10：1以上時，PDMS還能表現出優（yōu）異的（de）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（yǐ）及海麵浮油收集領域（yù）有著非常好的應用潛力。基於此，作者還（hái）製備出了一款高靈敏度的有機溶（róng）劑傳感器，對不（bú）同極性的有機溶劑有著非常好的區分性能（néng）。