EAA薄膜的形状记忆与湿度响应变形协同调控研究

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基于动植物变形行为的可逆变形高分子(Shape Changing Polymer,SCP)是当前研究热点之一,具有响应外场并可逆改变自身形状的能力。作为重要环境参数之一的湿度在日常生活的各个领域都起着重要作用,但相比于热、光、电场、磁场响应型可逆变形高分子,具有湿度响应变形的高分子材料研究相对较少。湿度响应变形的控制关键在于材料的各向异性结构,现有研究致力于各向异性结构的局部调控,以提升湿度响应变形行为的复杂程度。但受制于材料设计与成型工艺,已有湿度响应高分子材料的形状与结构一旦形成难以改变,致使其仅可沿固定路径,实现(干态下)平面二维形状与(湿态下)特定三维形状的转变有机结合提供新策略。如何实现其形状与变形路径的调控是进一步提升其变形能力的主要挑战。另一方面,形状记忆高分子(Shape Memory Polymer,SMP)可通过应变的储存与释放实现形状的响应性改变,具有单一初始形状的SMP可通过形状编程储存不同应变,变形为不同临时形状,变形行为可调性好。结合SCP与SMP的各自优势有望实现可调、可逆的高分子受激变形,但由于二者基于不同的材料、结构、机理实现变形,现有策略仅局限于通过双层复合实现结合,存在制备繁琐、变形行为相互制约等不足。开发新的结合策略仍是相关研究的重要挑战。本论文提出通过表面处理引入湿度响应能力到SMP基体中这一新策略,以聚乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)为例,通过溶液成型制备了一系列厚度的EAA薄膜,通过表面处理赋予其湿度响应变形能力,结合其本身形状记忆性能,实现了形状、可逆变形路径灵活可调地湿度响应变形行为,具体研究工作如下:(1)通过酸、碱溶液对EAA薄膜表面处理,诱导分子链上羧基可逆转变为羧酸盐,从而显著调控材料的吸湿能力。表面处理由于溶液的梯度渗透使上述转变梯度化进行,形成实现湿度响应可逆变形的梯度结构。进一步结合形状记忆性能,通过多次重复的形状编程与表面处理,赋予同一薄膜灵活可调地湿度响应可逆变形行为。此外,薄膜吸收的水分子可作为导电通路,赋予薄膜感知呼吸、与变形结合实现导电通路智能开关的应用潜力。(2)通过碱液、氯化铁水溶液表面处理,引入铁离子在EAA薄膜表面形成铁离子-羧酸根梯度配位交联网络。该配位交联通过紫外、可见光照射使铁离子还原为亚铁离子解离,形成的羧酸盐具有显著增强的吸湿性。吸湿性的显著改变赋予材料可光编程的湿度响应变形行为;进一步结合EAA薄膜自身的形状记忆性能,实现形状、湿度响应变形路径的灵活调控。综上,本论文研究可为实现湿度响应SCP变形行为的灵活调控,以及SCP与SMP有机结合提供新策略。
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