力致變色材料在材料變形可視化上具有很好的應(yīng)用前景,其中,通過將力敏小分子引入聚合物網(wǎng)絡(luò)是較常用的一種制備方法,而螺吡喃是近年來應(yīng)用較多的力敏小分子,在外部機械力作用下,無色或淺黃色的螺吡喃發(fā)生開環(huán)反應(yīng)形成紫色的部花青素異構(gòu)體。目前,研究者已將螺吡喃引入不同的聚合物實現(xiàn)力致變色行為,但大多數(shù)所報道的螺吡喃/聚合物的變色激活要求較高的壓力或者較大的形變,不利于實際應(yīng)用;此外,螺吡喃的力響應(yīng)度遠小于其光響應(yīng)度,反映了其較低的力敏利用率,在一定程度上浪費了合成的螺吡喃。因此,提高此類材料的變色靈敏度以及力響應(yīng)度成為該領(lǐng)域需要解決的難題。
針對上述問題,Greg Qiao教授團隊通過對聚合物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑,將螺吡喃引入多重網(wǎng)絡(luò)聚丙烯酸酯中,通過改變聚合物網(wǎng)絡(luò)組分調(diào)節(jié)其力學性能,從而實現(xiàn)對力致變色行為的調(diào)控。由于螺吡喃所在的第一層網(wǎng)絡(luò)被單體溶脹而后聚合形成第二層以及第三層網(wǎng)絡(luò),第一層網(wǎng)絡(luò)的分子鏈得到預(yù)拉伸,從而大大降低了變色激活的形變和作用力。為了方便比較變色靈敏度,該團隊首次引入變色激活能量(UA)的概念,通過計算顏色激活形變點對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積而獲得。
圖1. 螺吡喃-雙重網(wǎng)絡(luò)彈性體的制備方法。
網(wǎng)絡(luò)組分如螺吡喃的濃度、制備第一層網(wǎng)絡(luò)的溶劑含量以及丙烯酸酯單體種類都會對變色行為產(chǎn)生不同的影響,其中,螺吡喃的濃度改變對力學性能幾乎沒有影響,因此UA的變化不明顯;而制備第一層網(wǎng)絡(luò)的溶劑含量越低,其形變硬化點越低,變色就能夠在更低的應(yīng)變下被激活,相應(yīng)的UA也越低;而將第二層網(wǎng)絡(luò)的單體由丙烯酸丁酯換成丙烯酸甲酯,其形變硬化點會降低,UA也更低(對應(yīng)0.71 MJ m-3和0.63 MJ m-3)。三重網(wǎng)絡(luò)可以使變色靈敏度進一步提高,UA可低至0.1 MJ m-3。
圖2.螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸丁酯和螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸甲酯雙重網(wǎng)絡(luò)彈性體的應(yīng)變-應(yīng)力曲線,以及相應(yīng)的藍色比值變化。
與以往報道的螺吡喃聚合物彈性體相比,該工作所制備的雙重網(wǎng)絡(luò)和三重網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)變色靈敏度調(diào)控,其中,三重網(wǎng)絡(luò)的UA達到最低。
圖3.螺吡喃聚合物彈性體的變色點在應(yīng)變-應(yīng)力曲線上的圖表,以及相應(yīng)的UA數(shù)值。
此外,該研究發(fā)現(xiàn)使用多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效提高螺吡喃的力響應(yīng)性。在以往報道的螺吡喃聚合物彈性體中,螺吡喃的力響應(yīng)度遠低于其光響應(yīng)度,一般只有30%左右。而在該工作中,螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸丁酯雙重網(wǎng)絡(luò)的力響應(yīng)度可達光響應(yīng)度的66%,而螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸甲酯雙重網(wǎng)絡(luò)的力響應(yīng)度更是超過了其光響應(yīng)度,達138%,為首次被報道的力響應(yīng)度高于光響應(yīng)度的螺吡喃彈性體。此性能的提高得益于螺吡喃在第一層網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)拉伸。
圖4. 螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸丁酯和螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸甲酯雙重網(wǎng)絡(luò)彈性體的紫外光激活和拉伸激活的紫外-可見光吸收圖譜。
以上成果以‘Regulating Color Activation Energy of Mechanophore-Linked Multinetwork Elastomers’為題發(fā)表在《Macromolecules》上,論文的第一作者為墨爾本大學化工系‘Polymer Science Group’博士生Wenlian Qiu,通訊作者為Greg Qiao教授。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00477
- 上海交大李虹/華東理工王貴友 Macromolecules:二異氰酸酯的結(jié)構(gòu)對交聯(lián)含氟聚氨酯阻隔化學毒劑性的影響 2023-10-27
- KAUST甘巧強教授 Nat. Commun.:“尿不濕”與水蒸氣 - 綠色環(huán)保的輻射-蒸發(fā)混合型制冷材料 2023-10-25
- 南京大學張秋紅、賈敘東團隊《Adv. Funct. Mater.》:用于人機交互系統(tǒng)的低滯后“分子滑輪”離子凝膠 2023-04-23
- 賓夕法尼亞大學楊澍團隊 Adv. Mater.: 研發(fā)多模式力致變色液晶彈性體微管 2025-06-16
- 北化馬志勇課題組 Macromolecules:雙螺力敏色團ABPX在單/雙網(wǎng)絡(luò)彈性體中的力致變色與光致變色機理差異 2025-06-12
- 密歇根州立林少挺教授團隊 Adv. Mater.:抗疲勞力致變色水凝膠 - 賦能新型觸覺傳感器 2024-10-16
- 天津大學潘莉教授團隊 CEJ:具有雙晶網(wǎng)絡(luò)的乙烯-丙烯嵌段共聚物 - 高性能彈性體及HDPE/iPP共混物的升級回收 2025-07-20