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      力響應性聚合物的研究進展

      發布時間:2020-12-28 10:04所屬分類:建筑工程加入收藏

      摘 要:在眾多響應性聚合物中(光、電、熱等),力響應性聚合物是近十年來興起的一個熱點領域。力響應性聚合物是指聚合物受外界力作用時,能夠相應的

        摘 要:在眾多響應性聚合物中(光、電、熱等),力響應性聚合物是近十年來興起的一個熱點領域。力響應性聚合物是指聚合物受外界力作用時,能夠相應的發生一系列化學或物理性質的變化。制備力響應聚合物的關鍵是利用這類力敏感的基團。至今,已制備的力色團有20余種,研究發現含力色團的聚合物具有變色、發光、催化、釋放小分子等響應性,是一種很有潛力的智能材料。本文簡要概述了力色團的種類、機械力,重點闡述了力響應性聚合物的應用,最后對力色團實際應用及未來發展趨勢進行了展望。

        關鍵詞:力響應性聚合物;力色團;機械力

      高等教育論文

        一、前言

        響應性是自然界生物普遍存在的一種特性,例如:含羞草的刺激收縮;變色龍隨環境變化變色;向日葵向陽性等,這些都是生物根據環境刺激來調整自身生理活動的技能,科研工作者們受這些現象的啟發,設計并合成一系列響應性功能聚合物[1-3]。

        響應性聚合物是一種對外界環境刺激做出響應,能產生明顯的物理或化學變化,甚至突變的聚合物[4]。響應性聚合物是將敏感性基團引入到聚合物中,形成相應的材料。目前響應性聚合物根據外界刺激源的不同可大致分為光響應性聚合物[5]、電響應性聚合物[6]、熱響應性聚合物[7]、化學試劑響應性聚合物[8]、pH響應性聚合物[9]及力響應性聚合物[10]等。由于高分子材料在絕大部分應用中都涉及到機械力作用,因此力響應性聚合物的研究引起科研工作者廣泛的興趣[11-13]。

        力響應性聚合物是將力敏感基團以共價鍵的形式引入到高分子鏈中,當高分子鏈受外界驅動力時,力敏感基團發生結構變化,從而使聚合物發生物理或化學性質的變化(包括顏色變化,催化作用,熒光,自修復等),制備力響應聚合物的關鍵是利用這類力敏感的基團(也叫做力色團)。至今,已制備的力色團有20余種,研究發現含力色團的聚合物具有變色、發光、催化、釋放小分子等響應性,是一種很有潛力的智能材料。

        本文簡要概述了力色團的種類、機械力,重點闡述了力響應性聚合物的應用,最后對力色團實際應用及未來發展趨勢進行了展望。

        二、力色團

        力色團是指高分子鏈中間連接力敏感的功能性單元(可以是基團,也可以是化學鍵),在機械力作用時功能性單元能發生特定的化學轉化(活化)。自從1980年Encina等人[14]將過氧鍵引入到高分子鏈(聚乙烯基吡咯)中,發現聚合物分子鏈斷裂速率提高了10倍。至今已有20余種力色團被發現,如圖1所示,大致可分為五類[15]:第一類:金屬配位鍵斷裂,是指金屬和配體之間的鍵發生斷裂,如金屬配體(鈀配體,銅配體,銀配體)等[16-19];第二類:電開環,是指成環的力色團在機械力作用下環上的某個鍵發生斷裂,如螺吡喃[20-23],羅丹明[24],苯并環丁烯[25],環丙烷鹵代物[26],環氧化合物[27]等;第三類:均裂,是指從中間斷裂出兩個相同的基團或單元,如雙硫鍵[28],過氧鍵[29],偶氮化合物(釋放出氮氣)[30]等;第四類:彎曲活化釋放小分子,是指在機械力作用下,力色團的鍵角發生彎曲使鍵發生斷裂,如DA加成物[15,31,32]等;第五類:逆環化,指成環的力色團在機械力作用時發生環的斷裂,如1,2-二惡丁烷[33],環丁烷衍生物[34],DA加成物[35],1,2,3-三唑環[36],肉桂酸酯二聚體[37]等。

        三、機械力

        能夠誘導力響應性聚合物發生化學反應的機械力有多種,在響應性聚合物領域常用的機械力有拉伸[38]、壓縮[39]、超聲力[40]和單分子力譜[41]這幾類。其中超聲是作用于聚合物溶液的,拉伸和壓縮是對聚合物本體施加的,單分子力譜則是對聚合物單個分子實施的技術手段。近年來超聲和單分子力譜逐漸被應用開來。

        1.超聲

        超聲波是一種頻率高于 20 kHz 的聲波。超聲波應用非常廣泛,可以測距、清洗、測速、消毒和碎石等。超聲處理的介質主要是溶液,有超聲波浴和超聲探頭兩種方法:超聲波浴是將裝有待處理溶液的容器直接置于超聲浴中;而超聲探頭則是將探頭直接置于待處理溶液中進行超聲的(力響應性聚合物主要采取的方式)[41]。

        早在20世紀30年代超聲波便用于聚合物的降解[42]。目前比較普遍公認的機理是超聲產生的空化作用(圖2),在溶液中,高能量的聲波產生膨脹或壓縮,分子之間的距離增大產生氣泡,這些氣泡逐漸變大,并快速破裂,存在于氣泡附近的溶劑分子則由于負壓形成強有力的拉伸流場,氣泡進一步地膨脹,到一定程度后突然塌縮[43]。如圖3所示,含螺吡喃聚合物溶液超聲力致變色響應性[44]。

        2.拉伸

        拉伸基本都是對聚合物本體材料實施的一種機械力[43],但也可以對含溶劑的材料(比如凝膠)[45]。拉伸儀的優點是可實時監測,并根據需求調整相關參數,缺點是制樣需統一的形狀和規格,而且需要的材料樣品較多[13]。如圖4所示,含螺吡喃聚合物拉伸變色響應性[20]。

        3.壓縮

        壓縮也是一種作用于聚合物本體的機械力。不同于拉伸,壓縮對材料的形狀規格要求不高,消耗也比較小。目前常用的壓縮儀器有壓力槽、液壓機、壓力機及自制壓力機,壓力范圍在 0.1 MPa~300 GPa。如圖5所示,含螺吡喃力色團聚合物的壓縮變色響應性[31]。

        4.單分子力譜

        單分子力譜是研究高分子體系中的分子內與分子間的相互作用的一種新型納米尺度的表征技術。開始時,這種技術主要用來研究DNA大分子[46]、天然高分子[47]、超分子[48]在外力作用時的穩定性,隨后在高分子界面吸附、力誘導下的構象轉變、聚合物單鏈的力學性質等方面也有一定的研究[49,50]。如圖6所示,含螺吡喃聚合物的單分子力譜測試[51]。

        推薦閱讀:嘉興高等專科學校學報物理學期刊投稿


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