[发明专利]室温本征自修复玻璃态聚合物材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种室温本征自修复玻璃态聚合物材料及其制备方法。所述的玻璃态聚合物材料是由甘醇和二异氰酸酯按比例混合后缩聚而得，具体为先将二异氰酸酯溶解于有机溶剂中，而后在氮气气氛下将甘醇和月桂酸二异丁基锡混合后直接加入到二异氰酸酯溶液中，加热反应后干燥得到具有室温本征自修复功能的玻璃态聚合物材料。本发明的玻璃态聚合物材料其不仅强度模量大，还具有优异的室温自修复功能，且制备工艺简单，制备效率高，适合工业化大批量生产。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种室温本征自修复玻璃态聚合物材料及其制备方法。

背景技术

玻璃具有优良的光学透明度、硬度和耐用性，但其脆性也大；由于玻璃断裂的界面没有粘性，故破碎玻璃不能重新粘合。超分子聚合物玻璃(SPG)是由聚合物链通过大量非共价相互作用(如氢键、金属离子配位和离子键等)组装而成的室温玻璃态聚合物材料。其不仅具有强硬的机械性能和修复性能，同时具有几乎和玻璃一样的透明度，是一种很好的玻璃替代品。然而，目前所报道的SPGs在自愈方面仍有实质性的缺陷，它们需要外部能量输入(如光、热或溶剂辅助)来实现自修复过程(Nat. Commun. 2018, 7, 10995)，或具有较长的自修复时间(通常超过6小时)(Science 2018, 359, 72-76)，这严重限制了材料的性能和实际应用。因此，开发高无色、高透明度、高硬度的快速室温自修复SPGs并将其产业化仍是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室温本征自修复玻璃态聚合物材料及其制备方法。该方法采用齐聚物超分子自组装的策略，制备出具有高密度动态氢键的超分子聚合物，该材料弯曲模量超过3 GPa，同时其在室温下修复1 min就能提起1 kg的重物。

实现本发明目的的技术方案如下：

本发明的室温本征自修复玻璃态聚合物材料，由甘醇(三甘醇或五甘醇)和二异氰酸酯（异佛尔酮二异氰酸酯或间苯二异氰酸酯）按比例混合后缩聚后干燥得到；聚合物基体存在高密度的超分子动态氢键，该种作用力不仅能赋予材料超高的硬度和强度，同时还能赋予材料快速的室温自修复性能，聚合物的结构式如下：

，，或。

本发明的室温本征自修复玻璃态聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在氮气气氛下，将二异氰酸酯搅拌溶于有机溶剂中得到二异氰酸酯溶液，所述的二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯或间苯二异氰酸酯，所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺、三氯甲烷、丙酮或四氢呋喃；

步骤2：将甘醇和二月桂酸二异丁基锡催化剂混合均匀，而后在氮气气氛下逐滴加入到二异氰酸酯溶液中，搅拌至混合均匀后在50~80 ℃下反应6~12 h，生成聚合物溶液，所述的甘醇为三甘醇或五甘醇；

步骤3：向聚合物溶液中加入甲醇，继续搅拌，终止反应，将聚合物溶液倒入到模具中成型，最后干燥得到具有室温自修复功能的玻璃态聚合物材料。

优选地，步骤1中，二异氰酸酯溶液的浓度为1~2 mmol/mL。

优选地，步骤2中，所述的甘醇和二异氰酸酯的摩尔量相同。

优选地，步骤3中，搅拌时间为30~60 min。

优选地，步骤3中，干燥温度为70~120 ℃，干燥时间为20~60 h。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1) 本发明制备的室温本征自修复玻璃态聚合物材料机械性能优异(模量为3.11GPa)，其模量比一般的塑料要高，比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯。