技術科普：如何用溶劑熱固化方法改性二甲（jiǎ）基矽氧烷（wán）橡膠

發表（biǎo）時間：2021-04-09

矽橡膠（jiāo）製品具有優（yōu）良的耐高、低溫性能，電絕緣性、耐氣候老化性，透氣（qì）性好（hǎo）等（děng）特點，在電子、醫療、日用品等（děng）行業廣泛應（yīng）用。然而，目前所報告（gào）的對矽橡膠的改（gǎi）性大多側重於矽（guī）橡膠化學成分的變化，包括分子鏈的設計，引入其他組分以及填充顆粒等（děng）方法。通過這些改進能夠對矽膠的拉伸性，模量，親疏水性能進行調控。

這種添加額外組分的方法，在增強矽膠（jiāo）性（xìng）能和拓展（zhǎn）其應用的（de）同時，也（yě）有可（kě）能會限製了這類（lèi）改（gǎi）性矽膠在原有領域的（de）應用。成本增加（jiā）、合成工藝改變、成分不同以及化學性質的改變（biàn）等等問題（tí），都（dōu）會對最（zuì）終（zhōng）應用（yòng）產生較大的影（yǐng）響。

如（rú）何在不改變矽膠組分以及分子（zǐ）鏈網絡本身的前提（tí）下，去可（kě）控的改性（xìng）矽橡膠的組（zǔ）分（fèn），仍然是一項重要挑戰。

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

在不改變矽（guī）氧烷分子鏈和聚合（hé）原料的情況下（xià），僅利用溶（róng）劑以及水（shuǐ）熱限（xiàn）域合成（chéng）的固化策略來控製矽氧烷聚合網（wǎng）絡結構，即可實現對矽（guī）氧烷拉伸性、柔軟性和（hé）粘性等性能的可（kě）控改性（xìng）。

水熱溶劑熱法合成（chéng）超（chāo）柔高（gāo）彈PDMS的機（jī）理展示

（1）水熱溶劑熱法製備超柔高彈PDMS (S-H-PDMS)

作者選擇了一種商業的高分子量端基（jī）乙烯基聚二甲基（jī）矽氧烷（wán）作為PDMS的預聚體。將預聚（jù）物按指定比例混合，並加入矽氧烷的良溶劑分（fèn）散（這裏選（xuǎn）用的是正己烷），充分攪拌均勻後放入特氟龍容器（qì）中，在（zài）120℃下反應2h，得到與加（jiā）入的混（hún）合溶液體積一樣的透明PDMS油凝膠。與常（cháng）見溶（róng）脹狀態（tài）下的水凝膠類似，這種油凝（níng）膠表（biǎo）現（xiàn）出透（tòu）明、柔軟、以及較好彈性性（xìng）能（néng）。

隨後，作（zuò）者將凝（níng）膠在正己烷中長時間浸泡，反複多次去除裏麵可能含有的（de）未（wèi）反（fǎn）應的單體，然後（hòu）置（zhì）於（yú）室溫幹燥揮發（fā）去除裏麵溶劑後，凝膠樣（yàng）塊（kuài）會隨著（zhe）正己烷在空氣中揮發而（ér）收縮，最終等比例（lì）縮小，得到了溶劑熱固化的PDMS高彈矽膠（S-H-PDMS）。

對（duì）比發現，在正己烷中多次浸泡去除多餘單體並幹（gàn）燥後，S-H-PDMS的密度和外觀與（yǔ）正常固化的PDMS （N-H-PDMS）幾乎相（xiàng）同。紅外表征顯示（shì），其內部分子官能團也未發生明顯（xiǎn）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（jí）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（gàn）燥之後的S-H-PDMS的照片。

（d）普通方法（fǎ）固化的高分子量PDMS的照片。

（e）溶劑熱法（fǎ）固化的高分子量（liàng）PDMS的照片。兩（liǎng）者具有幾乎（hū）相（xiàng）同的透明（míng）度。

（f）兩種合成（chéng）方法得到的（de）PDMS紅外表征圖譜，其內部官能團基本（běn）未發生變化。

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

（2）通過簡（jiǎn）單（dān）的溶劑比例調控方法可控合成（chéng）不同力學性能的矽彈性體

在水（shuǐ）熱溶劑（jì）熱合成方法中，作者可以通（tōng）過調控（kòng）矽氧烷良溶劑的比例來可控製備出（chū）具有不同拉（lā）伸（shēn）性能以及強（qiáng）度的PDMS。當溶劑添（tiān）加（jiā）量增多時（shí），其矽彈性體的交聯度越低，拉（lā）伸性能越好，彈性模量也越低。這種簡單的調控策略可以非常高的（de）滿足諸多不同場合所（suǒ）對矽彈性體的性（xìng）能要求。

不同（tóng）溶（róng）劑比例合（hé）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）隨著溶劑比例的增高，矽彈（dàn）性體力學性能變化曲線。

（c）20：1溶劑配比下矽（guī）彈性體的（de）超高拉伸性能圖片。

（d）不同溶劑配比下矽彈性體強度變化。

（e）溶劑比例的變化對PDMS交聯度的影響柱狀圖（tú）。

（3）較好的黏附以及溶脹性能讓這種（zhǒng）方法合成的PDMS應用領域（yù）更為（wéi）廣闊（kuò）

當溶劑添加量到10：1以上時，PDMS還能表現出優異的（de）黏性（xìng）以及超高的（de）吸油溶脹性能，從而讓這種材料在人（rén）造皮膚，傳感器以及海麵浮油（yóu）收集領域有著非常好的應用潛（qián）力。基於此，作者還製備（bèi）出了一款高靈敏度（dù）的有機溶劑傳感器，對不同極性的有機溶劑（jì）有著非常好的區分性能。