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[材料资讯] 陈鑫课题组在近红外光响应形状记忆聚合物方向上取得新进展

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发表于 2019-9-24 08:38:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
近红外(NIR)光响应驱动器因其独特的优势受到了广泛的关注,其在生物医学装置、软驱动机械和可穿戴电子设备中有着重要的应用前景。近红外光不仅能够远程控制并且具有局部和非接触的特性,能够“按需”触发驱动器而降低对周围环境的干预。制备近红外光致形状记忆聚合物(SMP)的最常见方法是将光热转换试剂引入热响应SMP。这种方法虽然简单,但由于光热试剂在有机聚合物基质中的相容性较差,通常会面临一个两难的困境,光热转换剂较低的掺杂百分比会导致响应速度及响应强度的降低,而高掺杂百分比则会引起光热转换试剂的团聚和相分离,从而导致机械性能下降。
       针对上述问题,西安交通大学化工学院陈鑫课题组设法将NIR吸收单元直接引入SMP的聚合物网络结构中而不改变聚合物网络的结构和性质。他们使用商业化聚合物聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)作为骨架和各种金属离子,通过离子交联作用制备了一系列具有多段响应性的新型NIR光致形状记忆离聚物。

形状记忆聚合物

形状记忆聚合物
       课题组考察了一系列金属离子对材料性能的影响,包括Cu2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Cr2+和Al3+等,对其在808nm处的吸收光谱以及光热转换性能进行了研究。结果表明,离聚物的光热转换效率主要取决于吸收光谱中近红外区的吸收强度,而不同离聚物NIR响应性能的不同则主要是源于对应金属离子结构的不同。值得注意的是,研究发现仅通过调节金属离子和含量,就可以轻易地调整离聚物的光热转换效率,利用这一特性则可以满足各种实际应用对材料光热转换性能的不同需求。
       进一步地,课题组通过逐步交联的方式构建了含有Cu2+、Fe3+和Co2+三种金属离子以及具有梯度Fe3+含量的材料。结果发现通过逐步增加近红外光源的功率密度,实现了具有相同浓度不同离子或相同离子不同浓度离聚物的光致多段形状记忆行为。
       而将材料的光致形状记忆性能与光致塑性向结合,则可以实现聚合物材料更复杂的形状变化。通过逐步交联方法制备三瓣花形样品并通过折叠变形以及光致塑化,利用不同功率密度NIR光就能控制花瓣的开合。课题组还进一步设计了光致驱动器的重力提升试验以及光控开关试验,结果表明通过调控近红外光功率密度可以实现对光致驱动行为的选择性控制。
       通过简单地将金属离子作为交联点引入PVA-PAA,可以同时实现NIR光致形状记忆性能和光致塑性。这种具有很强局部和整体可控性的NIR光致形状记忆离聚物在制造各种用于实际应用的软体驱动器中有着广泛的应用前景。
       以上相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A上。该研究主要由西安交通大学讲师白永康博士和2017级硕士生张纪雯共同完成,通讯作者为陈鑫研究员,西安交通大学化工学院为论文的第一及唯一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等项目的大力支持。
       论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/ ... unauth#!divAbstract


       形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,简称SMP),又称为形状记忆高分子,是指具有初始形状的制品 在一定的条件下改变其初始条件并固定后,通过外界条件(如热、 电、光、化学感应等)的刺激 又可恢复其初始形状的高分子材料。

      SMP根据其回复原理可分为:热致型SMP、电致型SMP、光致型SMP、化学感应型SMP等 。
      热致型SMP
      日本的石田正雄先生最先发现, 热致型SMP形状记忆功能主要来源于材料内部存在不完全相容的两相 ,即保持成型制品形状的固定相和随温度变化会发生软化,硬化可逆变化的可逆相 。 固定相的作用在于原始形状的记忆与恢复 ,可逆相则保证成型制品可以改变形状 。 根据固定相的结构特征 , SMP可分为热固性和热塑性两大类 ,除此之外还有一种所谓的 “ 冷变形成型”的形状记忆聚合物材料。
      电致型SMP
      电致型SMP是热致型形状记忆高分子材料与具有导电性能物质(如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等)的复合材料。其记忆机理与热致感应型形状记忆高分子相同,该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高, 致使形状回复, 所以既具有导电性能,又具有良好的形状记忆功能。
      热固性SMP
      热固性SMP是将聚合物加温到熔点(tm)以上和交联剂共混,接着在模具里进行交联反应并确定一次形状,冷却结晶后即得到初始态,其化学交联结构为固定相 ,结晶相为可逆相 。 当温度升高至 tm 以上时,可逆相熔融软化,在外力的作用下可做成任意的形状保持外力并冷却固定,使分子链沿外力方向取向冻结得到变形态 。 当温度再升高至tm以上时,可逆相分子链在熵弹性作用下发生自然卷曲,直至达到热力学平衡状态,从而发生形状回复,记忆一次形状 。
      热塑性SMP

      热塑性SMP实质上是高分子链以物理交联的方式形成固定相和可逆相 。 当温度升高至玻璃化转变温度 ( tg ) 以上时,可逆相分子链的微观布朗运动加剧,而固定相仍处于固化状态,此时以一定外力使SMP发生变形,并保持外力使之冷却,可逆相固化得到稳定的新形状即变形态 。 当温度再升高至tg以上时,可逆相软化,固定相保持固化,可逆相分子链运动复活,在固定相的恢复应力作用下逐步达到热力学平衡状态,即宏观表现为恢复原状 。


陈鑫,西安交通大学化工学院研究员,青年拔尖人才,博士生导师,第四军医大学特聘教授,四川理工大学特聘教授。入选全国组织工程与再生医学学会委员,科技部重点项目函评及会评专家,陕西省百人计划学者,陕西省优秀回国留学人员,沣西新城杰出人才,西安交通大学十大学术新人。现任西安交通大学化工学院院长助理、高分子化工研究所所长、广东省高性能建筑材料及涂料工程技术研究中心副主任。2010年毕业于中国科学技术大学,2013年于澳大利亚新南威尔士大学取得博士学位,随后赴美国密歇根大学工作学习,2015年归国。先后主持国家自然科学基金、省部级科研项目、国家重点实验室开放课题、企业横向项目和多种人才支持项目。作为第一/通讯作者在Nature Biomedical Engineering, Science Translational Medicine, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Biomaterials 等国际知名学术期刊上发表科研论文50余篇,受美国科学出版社及ELSEVIER出版社邀请撰写学术专著3章,申请/授权国家发明专利8项。

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