自愈合电流变弹性体的制备及性能评价

摘要

电流变弹性体在电场下具有可控的力学性能，在减振降噪等领域已表现出潜在的应用前景，另外电流变弹性体也有望成为新型的人工肌肉材料。生物肌肉具有复杂性，而电流变弹性体仅能实现材料力学性能的控制，距离模拟真实的生物肌肉材料还有较远的距离。从生物学的角度看，生物肌肉本身不仅具有受大脑控制的肌肉收缩能力及变刚度能力，还具有自主愈合能力。人工肌肉材料若同时具有可控的力学性能以及自主愈合的能力，无疑将更接近真实的生物肌肉材料。因此，赋予电流变弹性体基体以自愈合的功能是实现这一目标的可能途径，但目前关于这种多功能的智能人工肌肉材料尚未见报道。本文将Zn(Ⅱ)-配体(Metal-Ligand)结构作为交联点引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物网络中，并掺入介电性较高的TiO2颗粒，得到了可以自愈合的电流变弹性体，最终获得了一种从功能上更接近真实生物肌肉的新型智能材料。 本论文主要的研究内容如下： （1）以Zn(Ⅱ)为中心金属离子与2,6-吡啶二甲酰胺配体形成金属-配体结构并引入PDMS网络得到Zn2+-pdca-PDMS自愈合聚合物弹性体，利用紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱、XPS光电子能谱对其结构进行了表征，在此基础上提出了Zn2+-pdca-PDMS聚合物网络结构模型和自愈合机理。 （2）通过愈合拉伸测试、流变测试对Zn2+-pdca-PDMS基体进行愈合性能及动态粘弹性评价。结果表明这种聚合物弹性体在常温条件下具有良好的自修复性能在45℃条件下愈合效率可以达到80%。拉伸测试表明其断裂延伸率在低拉伸速率下可达4500%以上，即具有超拉伸性；流变测试结果表明通过改变聚合物变网络中金属-配体的配比可以调节该弹性体的“软硬”。 （3）将TiO2颗粒作为分散相颗粒，在电场下掺入到Zn2+-pdca-PDMS聚合物基体中制备出具有自愈合功能的Zn2+-pdca-PDMS/TiO2电流变弹性体。愈合拉伸测试及粘弹性测试表明Zn2+-pdca-PDMS/TiO2复合弹性体具有较好的自愈合能力，电流变性能测试结果表明填充30%的TiO2颗粒复合弹性体的相对电流变效应可达240%。

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1 绪论

电流变弹性体概述

1.1.1 电流变弹性体组成及基本性能

1.1.2 电流变弹性体性能影响因素

1.1.3 电流变弹性体研究现状

1.2 自愈合材料概述

1.2.1 微胶囊型自愈合材料

1.2.2 超分子型自愈合材料

1.2.3 动态共价键型自愈合材料

1.2.4 金属-配体型自愈合材料

1.3 研究目的及意义

2 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验仪器

2.3 表征方法

2.3.1 红外光谱分析

2.3.2 紫外光谱分析

2.3.3 核磁共振波谱分析

2.3.4 拉曼光谱分析

2.3.5 X射线光电子能谱分析

2.3.6 扫描电子显微镜分析

2.3.7 差示扫描量热分析

2.4 拉伸性能及流变性能测试

2.4.1 自愈合拉伸性能测试

2.4.2 自愈合流变性能测试

3 Zn2+-pdca-PDMS自愈合弹性体的制备、表征及性能评价

3.1 合成路线及制备方法

3.1.1 H2pdca-PDMS长链分子的合成

3.1.2 Zn2+-pdca-PDMS基体的合成

3.2 结构表征

3.2.1 核磁共振波谱分析

3.2.2 红外光谱分析

3.2.3 拉曼光谱分析

3.2.4 紫外-可见光光谱分析

3.2.5 X射线光电子能谱分析

3.2.6 扫描电子显微镜（SEM）分析

3.2.7 差示扫描量热（DSC）分析

3.2.8 金属配体结构分析及网络结构模型

3.2.9 Zn2+-pdca-PDMS聚合物网络结构模型

3.3 自愈合拉伸性能及自愈合动态粘弹性能评价

3.3.1 自愈合拉伸性能评价

3.3.2 自愈合动态粘弹性能评价

3.4 自愈合及超拉伸机理分析

3.4.1 自愈合机理分析

3.4.2 超拉伸机理分析

3.5 本章小结

4 Zn2+-pdca-PDMS/TiO2的制备、表征及性能评价

4.1 合成路线及制备方法

4.1.1 分散相颗粒TiO2的制备

4.1.2 Zn2+-pdca-PDMS/TiO2自愈合电流变弹性体的制备

4.2 自愈合拉伸性能及自愈合电流变性能评价

4.2.1 自愈合拉伸性能评价

4.2.2 自愈合电流变性能评价

4.3 本章小结

5 结论