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南京大學(xué)用石墨烯制備出高強度的剛性自修復(fù)材料！

2018-07-30 12:39:16 作者：本網(wǎng)整理來源：先豐納米分享至：

最近，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、配位化學(xué)國家重點實驗室李承輝副教授和左景林教授帶領(lǐng)的團隊利用“積弱成強”的策略得到了一種高強度剛性自修復(fù)材料。他們設(shè)計了一種側(cè)鏈含有大量羧基的短鏈聚甲基硅氧烷單體，利用它與金屬鋅形成的弱配位鍵交聯(lián)得到力學(xué)強度非常高的高分子材料，其楊氏模量接近500 MPa。

由于金屬鋅與羧酸之間的配位平衡反應(yīng)受溫度控制，當(dāng)溫度升高時往配合物解離方向移動，產(chǎn)生游離的短鏈聚甲基硅氧烷單體和金屬鋅離子；而在溫度降低時往配合物生成方向移動，重新形成三維交聯(lián)的高分子。因此這種高分子雖然在低溫下呈現(xiàn)硬而脆的性質(zhì)，但在加熱時變得軟而彈，具有良好的熱塑性和熱修復(fù)性。

圖一：PDMS-COO-Zn聚合物的制備及表征

其中，通過摻雜石墨烯來提高復(fù)合材料導(dǎo)電性。當(dāng)石墨烯的含量為25wt％，復(fù)合材料具有最高的導(dǎo)電效率，電導(dǎo)率高達850s cm?1。導(dǎo)電復(fù)合材料的機械強度隨著石墨烯摻雜比的增加而增大。

圖2 PDMS-COO-Zn聚合物的機械和熱性能

該材料在多方面具有良好的應(yīng)用前景。其中之一是可進行3D打印。3D打印技術(shù)是本世紀制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)。但3D 打印技術(shù)也有其自身的缺點：首先，通過3D打印材料所制備的產(chǎn)品，由于是一次整體成型的，而且都是獨一無二的，在自身產(chǎn)生微裂紋或受到外界破壞后，無法通過更換零部件的方式進行修復(fù)，只能整體廢棄。這樣一來，將增加產(chǎn)品的維護成本，并造成極大的浪費；其次，3D打印產(chǎn)品的尺寸受到打印機尺寸的限制，通常的3D打印機無法打印比自身更大尺寸的物件；另外，3D打印中逐層成型的過程導(dǎo)致所得到的物件機械力學(xué)性質(zhì)各向異性，在使用過程中容易產(chǎn)生裂紋、變形等破損。將自修復(fù)技術(shù)引入到3D打印中則可有效解決這些問題。利用該材料打印出來的產(chǎn)品受損之后可以快速修復(fù)，通過打印小物件然后利用自修復(fù)技術(shù)能夠?qū)⑿∥锛M裝成一體化的大物件，同時打印出來的產(chǎn)品具有各向同性的機械力學(xué)性質(zhì)。因此，利用自修復(fù)材料可以將傳統(tǒng)磚塊堆砌方法和現(xiàn)代3D打印技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合起來，使3D打印更加隨心所欲！

圖三：PDMS-COO-Zn聚合物的熱愈合和再成形性能

同時，該材料還可用于醫(yī)用外固定支架。外固定材料是臨床骨科與矯形外科常用的消耗性醫(yī)用衛(wèi)生材料。石膏繃帶是目前臨床最常用的外固定材料之一。其主要優(yōu)點是對皮膚無毒副作用，強度較高，操作時水溫低。然而，石膏繃帶存在著許多缺陷，如：透X射線性差、透氣性差、質(zhì)量重等，此外，打石膏時操作復(fù)雜，給醫(yī)護人員帶來許多不便。該研究獲得的高強度剛性自修復(fù)材料在能夠加熱修復(fù)的同時，還具有優(yōu)良的溫敏性質(zhì)：常溫下強度非常高，類似于熱固性材料；而在加熱時（50-70℃）又具有熱塑性材料的性質(zhì)，可以反復(fù)加工。從而可以作為外固定材料在臨床骨科與矯形外科中應(yīng)用。相比于同類材料，該材料具有諸多優(yōu)點，例如成本低，跟石膏繃帶不相上下；熱變形溫度低，制作使用方便，并且可以適應(yīng)人體任何部位的形狀；強度高，硬度較大且硬化后不變形；對皮膚無毒副作用；質(zhì)量輕，不怕水，透氣，不影響傷員的日常活動；可方便拆卸和循環(huán)利用等。