一种纯本体聚合自修复弹性体及其制备方法

本发明属于自修复弹性体的制备，涉及一种纯本体聚合自修复弹性体及其制备方法。

背景技术：

1、自修复材料通过模拟生物体的自修复机制，能够在无外界刺激或在热、光、溶剂等条件下自发地修复受损部位，从而部分或完全恢复初始力学性能，在提高材料耐久性及安全性的同时降低资源需求和环境退化，属于现今一种新型的智能材料。其中，自修复弹性体因其卓越的性能而备受关注，在航空航天、生物医学、阻尼材料、涂层材料等领域具有诸多应用。

2、然而，据现有文献析可知，自修复弹性体材料当前仍需解决一个关键问题。目前已有许多同步提升材料力学性能与自修复效率的弹性体相关报道，但弹性体材料在制备过程中所引入的扩链剂往往不溶于聚醚、聚酯等预聚物体系，需要特殊的有机溶剂辅助以溶液聚合法制备，造成工艺复杂、后处理繁琐、杂质残留、环境污染等问题，难以实现工业化生产。此时，采用简单高效、绿色环保的本体聚合法用于制备兼具强力学性能与高效自修复性能的高性能弹性体材料显示出独特的吸引力。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种纯本体聚合自修复弹性体及其制备方法，得到的弹性体不仅具有优异的力学性能，而且自修复效率高、光学透明性强。本征型自修复弹性体能够利用材料本身化学结构上的特性完成动态共价键或动态非共价键的可逆交换反应，是应对弹性体材料受损产生微裂纹的有效解决手段。其中，芳香族双硫键稳定性低，在室温条件下高效自修复研究方面具有独特优势，但其导致的淡黄色外观和透明度降低，以及所的材料力学性能与高效自修复之间的协调是自修复弹性体研究中的关注重点及研究难点。本方法以纯本体聚合的工艺，不借助任何有机溶剂即可制备得到多功能高性能弹性体。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种纯本体聚合自修复弹性体，所述纯本体聚合自修复弹性体包含受阻脲氢键和苯二硫动态化学键。

4、所述纯本体聚合自修复弹性体由a组分和b组分固化成型所得；

5、制备所述a组分的原料总质量以100％为计，其各原料成分及质量分数具体如下：

6、聚多元醇79％-83％

7、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)21％-17％

8、制备所述b组分的原料总质量以100％为计，其各原料成分及质量分数具体如下：

9、苯二硫扩链剂双(4-羟苯基)二硫醚(hps)81％-98％

10、催化剂19％-2％

11、所述聚多元醇为分子量650～3000聚丁二醇(pegme)；

12、所述催化剂为二月桂酸二丁基锡(dbtdl)、三乙胺(et3n)中的一种以上；

13、所述聚多元醇与双(4-羟苯基)二硫醚(hps)的物质的量比为1000:1-11。

14、一种纯本体聚合自修复弹性体的制备方法，所述方法包括如下步骤：

15、(1)将a组分中的原料聚多元醇置于反应釜中，再加入异佛尔酮二异氰酸酯与前者混合，充分搅拌反应得到异氰酸酯基封端的预聚物；

16、(2)将所述预聚物预热后与b组分中的原料双(4-羟苯基)二硫醚(hps)、催化剂混合，经搅拌、抽真空后倒入聚四氟乙烯模具，于鼓风干燥箱内固化成型得到所述纯本体聚合自修复弹性体。

17、所述聚多元醇需置于反应釜中在100℃以上温度下充分搅拌，并保持体系内真空度在0.08mpa以上，脱水1h以上，后降温至50℃以下与所述异佛尔酮二异氰酸酯反应；

18、所述步骤(1)中，反应温度为80-90℃；反应时间为3-5h；搅拌速率为50-300r/min；

19、所述步骤(2)中，预热温度为35-50℃；搅拌速率为50-1000r/min，搅拌时间为0.5-20min；抽真空时真空度为0.1mpa以上，抽真空温度为34-80℃，抽真空时间为10-240min；固化温度为55-90℃，固化时间为1-12d；

20、所述步骤(2)中，聚四氟乙烯模具需预热至固化温度后使用。

21、本发明具有如下有益效果：

22、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体由a和b两种组分固化成型所得，以所述a、b组分各自原料总质量100％为计，a组分各原料成分及质量分数具体为：聚多元醇79％～83％，异佛尔酮二异氰酸酯21％～17％；b组分各原料成分及质量分数具体为：双(4-羟苯基)二硫醚81％～98％，催化剂19％～2％。所述各原料质量分数的设置能够保证双(4-羟苯基)二硫醚与异佛尔酮二异氰酸酯反应的有效协同，同步增强弹性体的力学性能与自修复性能。

23、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体制备中，a组分合成的所述端异氰酸酯基的预聚物能够在适当条件下长时间保存，后续可根据生产需要调节b组分各原料种类及配比即可获得固化成型的弹性体产物；所述方法简单高效可调节，能够应用于工业化生产。

24、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体制备方法中，需严格控制双(4-羟苯基)二硫醚的添加量。过多的小分子双(4-羟苯基)二硫醚将起到润滑剂的作用，降低所得弹性体的力学性能；反之，过少的双(4-羟苯基)二硫醚无法提供足够的反应活性官能团，扩链反应不完全，同样降低所得弹性体的力学性能。不同比例的双(4-羟苯基)二硫醚能够影响所述弹性体内受阻脲氢键与苯二硫动态化学键的含量，实现对所述弹性体力学性能及自修复性能的有效调节，适应不同弹性体材料应用场景的需要。

25、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体无需额外引入交联结构，从宏观结构来看，不明显的发泡效应避免了弹性体内部形成无规大泡孔结构削弱拉伸强度；从分子结构来看，受阻脲扩链硬链段刚性大，显著提高弹性体整体力学强度，同时多级弱氢键超分子相互作用，同步提升弹性体整体力学强度与韧性，从而赋予所述自修复弹性体高强韧的特性。

26、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体无需额外引入交联结构，避免了对所述弹性体延展性的限制，并赋以温和条件下热压可回收的特性，可有效恢复材料原有各项性能。

27、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体中受阻脲氢键和苯二硫动态化学键协同作用，共同从而赋予所述自修复弹性体强自修复的特性。

28、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体，所述弹性体受受阻脲和苯二硫两种大位阻硬链段及其之间存在的二级分相、不对称脂环形异氰酸酯影响，所述弹性体硬链段间堆积松散，无定形化趋势明显，从而赋予所述自修复弹性体高透明的特性，可见光波长区域中平均紫外透过率较高，在430～830nm区域基本达到普通采光玻璃水平，具有优异的光学性质，能够为光学器件提供清晰度高、光亮度强的视觉效果。

29、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体的制备方法，所述方法要求对聚多元醇进行的除水处理是避免弹性体内部形成大泡孔结构的关键。

30、本发明提供了一种纯本体聚合自修复弹性体的制备方法，所述方法不需要额外添加任何溶剂，以双(4-羟苯基)二硫醚为扩链剂，借助双硫键断裂后形成的对巯基苯酚可在反应温度下自行溶于所述预聚体中的特性，通过本体聚合法即可制备得到所需的多功能高性能材料，工艺简单、无需额外溶剂后处理、绿色环保，所得弹性体材料的力学强度和韧性显著提高，室温条件下可高效自修复，具有优异的光学透明性，在多个领域具有潜在应用价值。