Полисилоксановые материалы, такие как полидиметилсилоксан (ПДМС), обладают способностью к самовосстановлению благодаря динамическим силоксановым связям, активируемым силанолятными группами (Si–O–). Этот механизм основан на разрыве и реформировании силоксановых связей (Si–O–Si). Потенциальные области применения включают защитные покрытия для оптики, электроники и аэрокосмической отрасли.
Стратегия улучшения свойств таких материалов часто включает комбинирование ПДМС с неорганическими наполнителями, например, наночастицами или нанолистами. Использование нанолистов способствует формированию слоистых структур, что приводит к улучшенным термическим, механическим и газобарьерным свойствам. Ориентированные пленки также демонстрируют повышенную способность к заживлению трещин за счет диффузии полимера в плоскости.
Исследователи из Университета Васэда в Японии разработали более эффективный метод самосборки для изготовления усовершенствованных многослойных самовосстанавливающихся силоксановых пленок. В команду входят профессор Ацуси Симодзима, научный сотрудник и ведущий автор Ёсиаки Миямото, а также доцент Такаимити Мацуно. Результаты их работы опубликованы в журнале Chemical Communications 6 января 2025 года. Основное достижение — создание композитной пленки методом самосборки, состоящей из слоев высокосшитого органосилоксана (силсесквиоксана) и привитых слоев ПДМС.
Процесс изготовления начинается с нанесения пленки методом центрифугирования или капельного нанесения на подложку из кремния или стекла. Раствор содержит 1,2-бис (триэтоксисилил) этан, триблок-сополимер Pluronic P123 (ПЭО–ППО–ПЭО, где ПЭО — полиэтиленоксид, ППО — полипропиленоксид) и блок-сополимер ПЭО–ПДМС–ПЭО. В результате формируется тонкая пленка с ламеллярной (слоистой) структурой.
Следующим шагом является кальцинация, проводимая на воздухе при 170 °C в течение 4 часов. Цель этого этапа — удалить блоки ПЭО и ППО. После кальцинации образуется многослойная структура, состоящая из чередующихся слоев силсесквиоксана и ПДМС.
Способность к самовосстановлению придается материалу путем погружения в раствор тетрагидрофурана (ТГФ), воды и гидроксида калия (КОН). Гидроксид-ионы (ОН–) из КОН отщепляют протоны (Н+) от силанольных групп (Si–OH), превращая их в силанолятные ионы (Si–O–). Эти ионы способствуют перестройке и восстановлению силоксановой сетки Si–O–Si.
Полученная многослойная пленка демонстрирует значительно улучшенные характеристики. Она способна восстанавливать трещины микрометрового масштаба при нагревании до 80 °C и относительной влажности 40% в течение 24 часов.
Механические свойства нового материала также превосходят аналоги. Твердость новой пленки достигает 1.50 ГПа, в то время как твердость обычных самовосстанавливающихся эластомеров на основе ПДМС составляет около 49 МПа. Такая жесткость обусловлена вкладом слоев сшитого органосилоксана (силсесквиоксана).
Слои силсесквиоксана действуют как барьер, предотвращающий улетучивание циклических силоксанов — известное ограничение традиционного ПДМС. Это делает новый материал более термостойким по сравнению с существующими самовосстанавливающимися силоксановыми материалами.
Ёсиаки Миямото подчеркивает потенциальный спрос: «Замена традиционных материалов нашим самовосстанавливающимся материалом, который менее подвержен разрушению и обладает высокой твердостью, будет пользоваться большим спросом для не требующих обслуживания и долговечных применений.»
Он также резюмирует преимущества: «Эта инновационная многослойная структура позволяет нашему материалу быть одновременно тверже и более термостойким, чем существующие самовосстанавливающиеся материалы на основе силоксана, открывая путь к более долговечным и надежным применениям.»
Основные области потенциального применения включают защитные покрытия, гибкую электронику и другие сферы, где требуются долговечность, надежность и высокая производительность.
Стратегия улучшения свойств таких материалов часто включает комбинирование ПДМС с неорганическими наполнителями, например, наночастицами или нанолистами. Использование нанолистов способствует формированию слоистых структур, что приводит к улучшенным термическим, механическим и газобарьерным свойствам. Ориентированные пленки также демонстрируют повышенную способность к заживлению трещин за счет диффузии полимера в плоскости.
Исследователи из Университета Васэда в Японии разработали более эффективный метод самосборки для изготовления усовершенствованных многослойных самовосстанавливающихся силоксановых пленок. В команду входят профессор Ацуси Симодзима, научный сотрудник и ведущий автор Ёсиаки Миямото, а также доцент Такаимити Мацуно. Результаты их работы опубликованы в журнале Chemical Communications 6 января 2025 года. Основное достижение — создание композитной пленки методом самосборки, состоящей из слоев высокосшитого органосилоксана (силсесквиоксана) и привитых слоев ПДМС.
Процесс изготовления начинается с нанесения пленки методом центрифугирования или капельного нанесения на подложку из кремния или стекла. Раствор содержит 1,2-бис (триэтоксисилил) этан, триблок-сополимер Pluronic P123 (ПЭО–ППО–ПЭО, где ПЭО — полиэтиленоксид, ППО — полипропиленоксид) и блок-сополимер ПЭО–ПДМС–ПЭО. В результате формируется тонкая пленка с ламеллярной (слоистой) структурой.
Следующим шагом является кальцинация, проводимая на воздухе при 170 °C в течение 4 часов. Цель этого этапа — удалить блоки ПЭО и ППО. После кальцинации образуется многослойная структура, состоящая из чередующихся слоев силсесквиоксана и ПДМС.
Способность к самовосстановлению придается материалу путем погружения в раствор тетрагидрофурана (ТГФ), воды и гидроксида калия (КОН). Гидроксид-ионы (ОН–) из КОН отщепляют протоны (Н+) от силанольных групп (Si–OH), превращая их в силанолятные ионы (Si–O–). Эти ионы способствуют перестройке и восстановлению силоксановой сетки Si–O–Si.
Полученная многослойная пленка демонстрирует значительно улучшенные характеристики. Она способна восстанавливать трещины микрометрового масштаба при нагревании до 80 °C и относительной влажности 40% в течение 24 часов.
Механические свойства нового материала также превосходят аналоги. Твердость новой пленки достигает 1.50 ГПа, в то время как твердость обычных самовосстанавливающихся эластомеров на основе ПДМС составляет около 49 МПа. Такая жесткость обусловлена вкладом слоев сшитого органосилоксана (силсесквиоксана).
Слои силсесквиоксана действуют как барьер, предотвращающий улетучивание циклических силоксанов — известное ограничение традиционного ПДМС. Это делает новый материал более термостойким по сравнению с существующими самовосстанавливающимися силоксановыми материалами.
Ёсиаки Миямото подчеркивает потенциальный спрос: «Замена традиционных материалов нашим самовосстанавливающимся материалом, который менее подвержен разрушению и обладает высокой твердостью, будет пользоваться большим спросом для не требующих обслуживания и долговечных применений.»
Он также резюмирует преимущества: «Эта инновационная многослойная структура позволяет нашему материалу быть одновременно тверже и более термостойким, чем существующие самовосстанавливающиеся материалы на основе силоксана, открывая путь к более долговечным и надежным применениям.»
Основные области потенциального применения включают защитные покрытия, гибкую электронику и другие сферы, где требуются долговечность, надежность и высокая производительность.