高效的自组装增强了先进硅氧烷材料的自愈性

聚硅氧烷材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）基弹性体，通过引入硅烷醇盐（Si-O-）基团表现出自愈能力。这种能力源于它们的动态硅氧烷（Si-O-Si）键，可以断裂和重组以修复损伤。它们的自愈特性使其在光学、电子和航空航天等各个领域的保护涂层等应用中具有价值

为了改善PDMS基材料的性能，它们与纳米粒子或纳米片等无机填料结合在一起。通常，将纳米片引入聚合物中会形成具有优异的热、机械和阻气性能的分层结构。此外，据报道，定向薄膜的裂纹愈合能力得到了提高。这种改善归因于聚合物扩散集中在平面方向上

日本早稻田大学的研究人员通过开发一种更有效的制造多层薄膜的方法，在增强自愈硅氧烷材料方面取得了重大进展。在2025年1月6日发表在《化学通讯》杂志上的一项研究中，由下岛Atsushi教授、研究助理Yoshiaki Miyamoto和助理教授Takamichi Matsuno领导的一个团队使用自组装工艺制备了一种由高度交联的有机硅氧烷（倍半硅氧烷）和接枝的PDMS层组成的复合薄膜

该研究的主要作者Miyamoto说：“用我们的自愈材料代替传统材料，这种材料不易变质，硬度高，对免维护和耐用的应用需求很大。”

研究人员首先使用旋涂或滴铸技术将含有1,2-双（三乙氧基硅烷基）乙烷、Pluronic P123（PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物，其中PEO代表聚环氧乙烷，PPO代表聚氧化丙烯）和PEO-PDMS-PEO嵌段共聚物的溶液沉积在硅或玻璃基板上。该过程形成了具有层状（分层）结构的薄膜

然后将薄膜在170°C的空气中煅烧4小时，从而去除PEO和PPO块。该过程留下了由倍半硅氧烷和PDMS层组成的多层结构

为了赋予薄膜自愈性能，引入了Si-O-基团。这些基团促进硅氧烷（Si-O-Si）网络的重排和重新连接。为了实现这一点，将薄膜浸入四氢呋喃、水和氢氧化钾（KOH）的溶液中。在这个过程中，KOH中的氢氧根离子（OH-）从硅烷醇（Si-OH）基团中去除质子（H+），将其转化为Si-O-离子。当在40%相对湿度下加热至80°C 24小时时，最终薄膜可以修复微米级裂纹

与传统的PDMS基材料相比，该薄膜显示出优异的性能。交联有机硅氧烷层提供了更大的刚性，并作为防止环状硅氧烷挥发的屏障，解决了传统PDMS材料的局限性。虽然传统的自愈PDMS弹性体的硬度为49 MPa，但最终的自愈膜的硬度为1.50 GPa

Miyamoto说：“这种创新的多层设计使我们的材料比现有的自愈硅氧烷基材料更硬、更耐热，为更耐用、更可靠的应用铺平了道路。”

凭借其高硬度和自愈特性，这种材料非常适合保护涂层、柔性电子产品和其他需要持久性能的应用 More information: Yoshiaki Miyamoto et al, Multilayered organosiloxane films with self-healing ability converted from block copolymer nanocomposites, Chemical Communications (2025). DOI: 10.1039/D4CC05804F

Journal information: Chemical Communications