技術科普：如何用溶劑熱固化方法改性二甲基（jī）矽氧烷橡膠

發（fā）表時間：2021-04-09

矽橡膠製品具有優良的耐（nài）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、醫療、日用品等行業廣泛應用。然（rán）而，目前所報告的對矽橡膠的改性大多側重於矽橡膠化學成分的變化，包（bāo）括分子鏈的設計，引入其（qí）他組分以及填充顆粒等方法。通過（guò）這些改進能夠對矽膠（jiāo）的拉伸性，模量（liàng），親疏水性能進行調（diào）控。

這種添加額外組分的方法，在增強矽膠性能和拓展其（qí）應（yīng）用的同時，也有可能會限製了這類改性矽膠在原有領域的應用。成本增加、合成工藝改變、成分不同以及化學性質（zhì）的改變等等問題（tí），都會對最終應用產生較（jiào）大的影響。

如（rú）何在不改變矽膠組分以及分子鏈網絡本身的前提下，去可（kě）控的改性矽橡膠的組分，仍然（rán）是一項重要挑戰。

近（jìn）日，中科大俞書宏院士報道了通（tōng）過在固化過程中引（yǐn）入溶劑，展示了一（yī）種新穎、簡便（biàn）、低成本的聚二甲基矽氧烷橡膠（PDMS）性能改性方（fāng）法。

在不改變矽（guī）氧烷分子鏈和聚合原料（liào）的情況下，僅利用溶劑以及水熱限（xiàn）域合（hé）成的（de）固（gù）化（huà）策（cè）略來控（kòng）製矽氧烷聚合網絡結構（gòu），即可實現對（duì）矽氧烷拉伸性、柔軟性和粘性等性能（néng）的可（kě）控改性。

水熱溶劑熱法合成超柔高彈PDMS的機理展示

（1）水熱溶劑熱法製備超柔高彈PDMS (S-H-PDMS)

作者選擇（zé）了（le）一種商業的高分子量端基乙烯基聚二甲基矽氧烷作為PDMS的預聚體。將預聚物按指定比例（lì）混合，並加入矽氧（yǎng）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（fú）龍容器中，在120℃下反（fǎn）應2h，得到與加入的混合（hé）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、柔軟、以及較好彈性性能。

隨後，作者將（jiāng）凝膠在正己烷中長時間浸泡，反複多次去除裏麵可能含有的未反應的單體，然後置於室溫（wēn）幹燥揮發去除裏麵（miàn）溶劑後（hòu），凝膠樣（yàng）塊會隨著正己烷（wán）在（zài）空氣中揮發而收縮，最終等比例縮小，得到了溶劑熱固化的PDMS高彈矽（guī）膠（jiāo）（S-H-PDMS）。

對比發現，在（zài）正（zhèng）己烷中多（duō）次浸泡去除多餘單體並幹燥後，S-H-PDMS的密度和外觀（guān）與正常固化（huà）的PDMS （N-H-PDMS）幾乎相同。紅外表征（zhēng）顯示，其內（nèi）部分子（zǐ）官能團也未發生（shēng）明（míng）顯（xiǎn）變化，但是其力（lì）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的合成方法簡圖。

（b）溶脹狀態S-H-PDMS的照片。

（c）幹燥（zào）之後的S-H-PDMS的照（zhào）片。

（d）普通方（fāng）法（fǎ）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（tòu）明度。

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

（g）相較於傳（chuán）統（tǒng）的PDMS材料，S-H-PDMS表現出超柔高彈的性能。

（2）通過（guò）簡單的溶劑比例調控方法可（kě）控合成不同力學性能的矽彈（dàn）性體

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

不（bú）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）隨著溶劑比例的增（zēng）高，矽彈性體力學性能變化（huà）曲線（xiàn）。

（c）20：1溶劑配比下矽彈（dàn）性體的超高拉伸性能（néng）圖片。

（d）不同溶劑配比下矽彈性體強（qiáng）度（dù）變化。

（e）溶（róng）劑比例的變化對（duì）PDMS交聯度的影響柱狀圖。

（3）較好（hǎo）的黏附以（yǐ）及溶脹性（xìng）能讓這種方法合成的PDMS應用（yòng）領域更（gèng）為廣闊

當溶劑（jì）添加量到10：1以上時，PDMS還能表現出優異的黏性以及超高的（de）吸油溶脹性能（néng），從而（ér）讓這種材料在人造皮膚，傳感器以及海麵浮油收集領域有著非常好的應用潛力。基於此，作（zuò）者（zhě）還製備出了一款高（gāo）靈敏（mǐn）度的有機溶劑傳（chuán）感器，對（duì）不同極性的有機溶劑有著非常（cháng）好的區分性能。