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西安交通大学陈鑫研究员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
2019-09-03  来源:高分子科技

  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研究员课题组设法将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。在此,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。

图1 离聚物的制备过程。

  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+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。

图2 (a)不同离聚物的的UV-vis-NIR光谱;(b) PVA-PAA和不同离聚物的光热转换效率;(c)由PVA-PAA-Cu、-Fe和-Co构建的离聚物的光致多段形状记忆行为;(d)梯度Fe3+离子在光诱导下的多段形状记忆行为。

  进一步地,课题组通过逐步交联的方式构建了含有Cu2+Fe3+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。

图3(a)和(b)光致重塑前后材料的多段形状记忆行为;(c)光致驱动器示意图。

  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。

图4 近红外光功率密度控制的灯开关(a)开(b)关

  综上所述,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。

  以上相关成果发表以“Fabrication of remote controllable devices with multistage responsiveness based on a NIR lightinduced shape memory ionomer containing various bridge ions”为题发表在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:

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(责任编辑:xu)
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