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西安交通大學陳鑫研究員課題組在近紅外光響應形狀記憶聚合物方向上取得新進展
2019-09-03  來源:高分子科技

  近紅外(NIR)光響應驅動器因其獨特的優勢受到了廣泛的關注,其在生物醫學裝置、軟驅動機械和可穿戴電子設備中有著重要的應用前景。近紅外光不僅能夠遠程控制并且具有局部和非接觸的特性,能夠“按需”觸發驅動器而降低對周圍環境的干預。制備近紅外光致形狀記憶聚合物(SMP)的最常見方法是將光熱轉換試劑引入熱響應SMP。這種方法雖然簡單,但由于光熱試劑在有機聚合物基質中的相容性較差,通常會面臨一個兩難的困境,光熱轉換劑較低的摻雜百分比會導致響應速度及響應強度的降低,而高摻雜百分比則會引起光熱轉換試劑的團聚和相分離,從而導致機械性能下降。

  針對上述問題,西安交通大學化工學院陳鑫研究員課題組設法將NIR吸收單元直接引入SMP的聚合物網絡結構中而不改變聚合物網絡的結構和性質。在此,他們使用商業化聚合物聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)作為骨架和各種金屬離子通過離子交聯作用制備了一系列具有多段響應性的新型NIR光致形狀記憶離聚物。

圖1 離聚物的制備過程。

  課題組考察了一系列金屬離子對材料性能的影響,包括Cu2+Ni2+Co2+Cd2+Cr2+Al3+等,對其在808nm處的吸收光譜以及光熱轉換性能進行了研究。結果表明,離聚物的光熱轉換效率主要取決于吸收光譜中近紅外區的吸收強度,而不同離聚物NIR響應性能的不同則主要是源于對應金屬離子結構的不同。值得注意的是,研究發現僅通過調節金屬離子和含量,就可以輕易地調整離聚物的光熱轉換效率,利用這一特性則可以滿足各種實際應用對材料光熱轉換性能的不同需求。

圖2 (a)不同離聚物的的UV-vis-NIR光譜;(b) PVA-PAA和不同離聚物的光熱轉換效率;(c)由PVA-PAA-Cu、-Fe和-Co構建的離聚物的光致多段形狀記憶行為;(d)梯度Fe3+離子在光誘導下的多段形狀記憶行為。

  進一步地,課題組通過逐步交聯的方式構建了含有Cu2+Fe3+Co2+三種金屬離子以及具有梯度Fe3+含量的材料。結果發現通過逐步增加近紅外光源的功率密度,實現了具有相同濃度不同離子或相同離子不同濃度離聚物的光致多段形狀記憶行為。

圖3(a)和(b)光致重塑前后材料的多段形狀記憶行為;(c)光致驅動器示意圖。

  而將材料的光致形狀記憶性能與光致塑性向結合,則可以實現聚合物材料更復雜的形狀變化。通過逐步交聯方法制備三瓣花形樣品并通過折疊變形以及光致塑化,利用不同功率密度NIR光就能控制花瓣的開合。課題組還進一步設計了光致驅動器的重力提升試驗以及光控開關試驗,結果表明通過調控近紅外光功率密度可以實現對光致驅動行為的選擇性控制。

圖4 近紅外光功率密度控制的燈開關(a)開(b)關

  綜上所述,通過簡單地將金屬離子作為交聯點引入PVA-PAA,可以同時實現NIR光致形狀記憶性能和光致塑性。這種具有很強局部和整體可控性的NIR光致形狀記憶離聚物在制造各種用于實際應用的軟體驅動器中有著廣泛的應用前景。

  以上相關成果發表以“Fabrication of remote controllable devices with multistage responsiveness based on a NIR lightinduced shape memory ionomer containing various bridge ions”為題發表在Journal of Materials Chemistry A上。該研究主要由西安交通大學講師白永康博士和2017級碩士生張紀雯共同完成,通訊作者為陳鑫研究員,西安交通大學化工學院為論文的第一及唯一通訊單位。該研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省自然科學基金等項目的大力支持。

  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta05329h/unauth#!divAbstract

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(責任編輯:xu)
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