Efficiënte zelfassemblage verbetert zelfherstel in geavanceerde siloxaanmaterialen

Polysiloxaanmaterialen, zoals polydimethylsiloxaan (PDMS) gebaseerde elastomeren, vertonen een zelfherstelcapaciteit door de introductie van silanaat (SI-O^–) Groepen. Dit vermogen komt voort uit hun dynamische siloxaan (Si – O – Si) bindingen, die kunnen breken en hervormen om schade te herstellen. Hun zelfherstellende eigenschappen kunnen ze waardevol maken in toepassingen zoals beschermende coatings voor gebruik op verschillende gebieden, zoals optica, elektronica en ruimtevaart.

Om de eigenschappen van op PDMS gebaseerde materialen te verbeteren, zijn ze gecombineerd met anorganische vulstoffen zoals nanodeeltjes of nanosheets. Over het algemeen leidt de introductie van nanosheets in polymeren tot de vorming van een gelaagde structuur die superieure thermische, mechanische en gasbarrière -eigenschappen vertoont. Bovendien is een verbeterd crack-genezend vermogen van georiënteerde films gemeld. Deze verbetering wordt toegeschreven aan polymeerdiffusie geconcentreerd in de richting in het vlak.

Onderzoekers van Waseda University, Japan, hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verbeteren van zelfherstellende siloxaanmaterialen door een efficiëntere methode te ontwikkelen voor het fabriceren van meerlagige films. In een studie gepubliceerd op 6 januari 2025, in het tijdschrift Chemische communicatieeen team onder leiding van professor Atsushi Shimojima, met onderzoeksmedewerker Yoshiaki Miyamoto en assistent-professor Takamichi Matsuno, gefabriceerd een composietfilm bestaande uit een zeer verknoopt organosiloxaan (Silsesquioxaan) en geënte PDMS-lagen met behulp van een zelfvertegenwoordigingsproces.

“Het vervangen van traditionele materialen door ons zelfherstellend materiaal, dat minder vatbaar is voor verslechtering en een hoge hardheid heeft, zou veel vraag zijn naar onderhoudsvrije en duurzame toepassingen”, zegt Miyamoto, de hoofdauteur van de studie.

The researchers began by depositing a solution containing 1,2-bis(triethoxysilyl)ethane, Pluronic P123 (a PEO–PPO–PEO triblock copolymer, where PEO stands for poly(ethylene oxide) and PPO stands for poly(propylene oxide)), and a PEO–PDMS–PEO block copolymer onto a silicon or glass substrate using spin-coating of drop-casting technieken. Dit proces vormde een dunne film met een lamellaire (gelaagde) structuur.

De film werd vervolgens 4 uur in lucht bij 170 ° C gecalcineerd, wat resulteerde in het verwijderen van de PEO- en PPO -blokken. Dit proces liet een meerlagige structuur achter die bestaat uit silsesquioxaan en PDMS -lagen.

Om zelfherstellende eigenschappen aan de film te geven, Si-O^– Groepen werden geïntroduceerd. Deze groepen bevorderen herschikking en herverbinding van de siloxaan (Si – O – Si) netwerken. Om dit te bereiken, werd de film ondergedompeld in een oplossing van tetrahydrofuran, water en kaliumhydroxide (KOH). In dit proces, hydroxide -ionen (oh^–) van KOH verwijderde protonen (h⁺) van silanol (SI – OH) groepen, om ze om te zetten in Si – O^– ionen. De uiteindelijke film zou micrometerschaalscheuren kunnen repareren wanneer het gedurende 24 uur bij 40% relatieve vochtigheid wordt verwarmd tot 80 ° C.

De film toonde superieure eigenschappen in vergelijking met conventionele op PDMS gebaseerde materialen. De verknoopte organosiloxaanlagen zorgden voor een grotere stijfheid en dienden als een barrière tegen de vervluchtiging van cyclische siloxanen, met betrekking tot de beperkingen van traditionele PDMS-materialen. Terwijl conventionele zelfherstellende PDMS-elastomeren een hardheid hebben van 49 MPa, vertoonde de laatste zelfherstellende film een ​​hardheid van 1,50 GPA.

“Dit innovatieve meerlagige ontwerp stelt ons materiaal in staat zowel harder als meer warmtebestendig te zijn dan bestaande zelfherstellende siloxaangebaseerde materialen, waardoor de weg wordt vrijgesproken voor duurzamere en betrouwbare toepassingen”, zegt Miyamoto.

Met zijn hoge hardheid en zelfherstellende eigenschappen is dit materiaal zeer geschikt voor beschermende coatings, flexibele elektronica en andere toepassingen die langdurige prestaties vereisen.