聚丙烯酸酯类自愈合弹性体的制备及其结构色性能研究

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自愈合弹性体材料因其能自行修复损伤并能近乎恢复原始性能,进而提高了材料的使用寿命,所以越来越受到科研工作者的关注。然而,弹性体材料的自愈合性与机械强度一直是两种相互制约的性能,如何使一种弹性材料在具有良好自愈合性能的条件下同时具有一定的机械强度,一直是研究者们努力攻克的难题。此外,为了材料的美观,人们通常在弹性材料制备过程中加入一些染料,从而赋予弹性材料特定的颜色。但大量化学染料的使用难免会带来环境污染等问题,而且化学染料在使用中易受到光照、温度等的影响而使材料颜色不持久,进而影响材料的美观。因此,如何在不污染环境的前提下,使弹性材料具有色调可调的持久颜色,也是一个比较有意义的研究课题。基于这两个问题,本文主要对提高弹性体材料的自愈合性能及机械强度方面进行研究,同时考虑将结构色引入弹性体中,赋予弹性体明亮的颜色,解决传统染料污染环境的问题。论文的主要内容如下:(1)以丙烯酸羟乙酯(HEA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸(MAA)作为原料,通过紫外光引发聚合得到三单体共聚物。通过紫外透过率、热稳定性、力学性能等表征,得出当这三种单体用量比HEA:HEMA:MAA为3:2:1时,共聚物具有相对较高的拉伸强度和拉伸应变量。然后以此比例的共聚物作为骨架,引入低分子量的聚丙烯酸,使其缠绕在骨架中形成三维互穿网络结构,进一步提高聚合物的机械强度。实验表明,当聚丙烯酸用量为总单体用量的80%时,形成聚丙烯酸酯类弹性体具有最佳的机械强度和拉伸应变,分别为1.99 MPa和170%。(2)在聚丙烯酸酯类弹性体体系中加入二烯丙基二硫醚(DADS)作为交联剂和改性剂,引入动态可逆的二硫键网络,与体系中大量的氢键共同赋予弹性体自愈合的性能。通过考察弹性体表面划痕的自愈合速率和程度,以及弹性体的综合力学性能,得出DADS的用量为单体总用量的0.5%时,弹性体的力学性能较高,断裂拉伸强度和拉伸应变可达到2.22 MPa和180%,弹性体具有良好的划痕自愈合和断裂自愈合能力。同时探究了弹性体泡水时间和温度对其自愈合性能的影响,最终得出当弹性体在泡水30 min后,热辅助温度在60℃以内弹性体便有良好的自愈合速率,且形貌基本不受影响。(3)采用无皂乳液聚合法合成了聚苯乙烯-(聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸)(PS@(PMMA-PAA))纳米微球,并对其纳米粒度、微观形貌、红外光谱等进行了表征,同时加入聚乙烯醇(PVA)和炭黑(CB)来解决纳米粒子成膜后易开裂和颜色饱和度低的问题,得出最适的PVA和CB添加量分别为粒子质量的0.5%和15%。然后设计并制备了弹性体-光子晶体-弹性体的“三明治”型结构色弹性体,通过对结构色弹性体的外观、反射光谱、力学性能、耐溶剂性能等表征,得出当顶层弹性体厚度在200μm以内,光子晶体层厚度在50μm以内时,结构色弹性体的各方面性能最佳。此时结构色弹性体具有明亮的结构色,无裂纹无虹彩效应,最大拉伸强度和应变分别可达到2.93 MPa和150%,还有一定的耐溶剂性和耐刮磨性,可以应用于制备各种颜色、形状的Logo和玩具产品等。
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