界面复合荧光高分子水凝胶层压材料的构建及其力致变色性能研究

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荧光高分子水凝胶是一种具有可调发光性能和三维网状结构的高分子软材料,其具有许多优异而独特的性能,比如类似生物组织的模量、固有的软湿特性、良好的生物相容性和优秀的光学性能等。此外,荧光高分子水凝胶的制备方法相对简单,且其具有易于改性、修饰的特点,因而广受关注,在传感、生物医学成像、仿生软机器人、防伪和智能显示等前沿应用领域显示出巨大应用潜力。然而,单一的荧光高分子水凝胶材料仍有许多不足之处,如力学性强度不佳、功能相对单一等,这些可能对其在某些领域中的发展和应用造成影响。将荧光高分子水凝胶与其他种类材料(如弹性体和金属-有机骨架材料等)复合,从而制备出兼具多种材料优点的新型复合材料是解决荧光高分子水凝胶力学强度不佳等问题的有效方法之一,基于此,本文主要做了如下工作:(1)通过将荧光高分子水凝胶、弹性体和碳纳米管(CNTs)薄膜复合,构筑了一种兼具三者优点的新型复合材料,并将其应用为图案信息显示平台和实时监测人体运动的柔性应变传感器。首先,通过“界面互穿”(interfacial interpenetration)的方法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上“生长”一层聚N-(2-羟乙基)丙烯酰胺(PHEAA)水凝胶,得到兼具有软湿特性和良好力学性能的复合材料;然后,将罗丹明B(RB)作为发光基团通过化学接枝的方法引入到PHEAA水凝胶中,从得到具有红色荧光的双层RB-PHEAA/PDMS复合薄膜;最后,再通过在气-液界面转移碳膜的方法将CNTs薄膜转移到PDMS上并与其复合,从而最终制备得到三层RBPHEAA/PDMS/CNTs复合薄膜。在外界应力作用下复合材料发生相应的拉伸形变时,CNTs薄膜被拉出微小裂纹,就会暴露出下层的荧光,从而实现力致变色。此外,当将其与额外制备的图案化蓝色AIE荧光水凝胶通过共价键和氢键作用复合后,可以实现应力诱导的图案化显示。当密集堆叠的碳纳米管薄膜受外界应力被拉伸会诱导微裂纹的形成,从而使碳纳米薄膜的导电性能发生变化,水凝胶层的红色荧光也会逐渐透出,于是呈现出应变诱导的协同荧光、电信号变化。此外,这种荧光高分子水凝胶复合材料具有良好的力学性能和软湿特性,依据这些独特的性能,可将其作为柔性传感器件来实时监测人体运动情况。(2)在第一个工作的基础上,对荧光高分子水凝胶层的组成进行了调整,并利用多色荧光团的荧光共振能量转移效应(FRET),使其具有可调控的多色荧光图案,并将其作为图案信息显示平台应用于信息显示及加密等领域。首先通过“界面互穿”的方法在弹性体PDMS上聚合“生长”一层PHEAA水凝胶,再将N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)与蓝色荧光单体4-(2-二甲氨基乙氧基)-N-烯丙基-1,8-萘酰亚胺(DAEAN)通过界面扩散渗透到PHEAA水凝胶层中,进而共聚“生长”,形成具有互穿网络结构的P(NAGA-DAEAN)-PHEAA水凝胶,从而得到双层P(NAGADAEAN)-PHEAA/PDMS复合薄膜材料。最后,通过在气-液界面转移碳膜的方法将其与碳纳米管薄膜复合,得到具有蓝色荧光的三层P(NAGA-DAEAN)-PHEAA/PDMS/CNTs复合薄膜。此外,为了构建多色图案化水凝胶,基于荧光共振能量转移(FRET)效应,我们在体系中引入了绿色荧光分子核黄素和红色荧光分子罗丹明B,并通过印染的方法在水凝胶层构建多种形状和多种颜色的荧光图案,从而探索力致变色材料在多色荧光图案显示方面的应用。
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