刺激响应性复合薄膜的制备及其性能研究

发布时间：2020-04-25 20:40

【摘要】：智能薄膜是一种可以将包含在化学或物理刺激中的能量转化为宏观形变的薄膜材料,它具备易修饰改性、易加工、易组装等特点,此类薄膜可以通过pH、温度、离子强度、光、电场和磁场等外部刺激进行驱动。这类智能薄膜材料可作为智能传感器、驱动器、软体机器人、能量采集器等被广泛应用于生物、医学、环境、工程等领域,所以研究和开发多响应性、高选择性及强灵敏性的刺激响应性薄膜迫在眉睫。本论文共制备了两类智能复合薄膜,一类是利用两层薄膜热膨胀性的差异制备了热敏感型复合薄膜;另一类利用简单的拉伸取向的方法制备了丙酮-光双重响应性复合薄膜,并分别对两类智能复合薄膜进行了结构性能的表征,简述如下:(1)通过分子设计将丙烯酸和丙烯酸酯类通过可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)制备出四种不同玻璃化转变温度的共聚物PAA-co-PMMA(I_1)和PAA-co-PMMA-co-PBA(I_(2-4)),并合成了刚性结构的偶氮香豆素分子并将其接枝到PAA-co-PMMA(I_1)的聚合物骨架中,制备了具有一定结晶性的共聚物PAA-co-PMMA-co-PACA(II),采用~1H NMR和FT-IR等手段对其结构进行表征。通过流延法制备五种热敏感型复合薄膜,所有薄膜对于一定程度的热刺激都能做出快速、可逆的形变响应。本论文研究了厚度、温度和聚合物结晶性对复合薄膜形变的影响,可以发现,当聚合物层和铝箔层的厚度比为1:1时,薄膜的形变程度最大;当加热台温度在聚合物的玻璃化转变温度(T_g)附近时,薄膜会产生一个快速,较大的形变;当聚合物结构中引入结晶性分子偶氮-香豆素时,薄膜的形变速度和形变程度都会增大。同时,本论文也通过实验研究了复合薄膜的循环使用性、形变可控性和复杂形变性,以及设计了几种应用装置。此类热敏感型复合薄膜具有优良的循环使用性;当薄膜被赋予一个微小的预应力时,在经历冷热交替之后,薄膜会沿着预应力的方向发生可控的可逆形变;通过图案化设计,可以将薄膜制备成多种具有仿生意义的装置如毛毛虫,莲花等;利用铝箔优良的导电特性,将复合薄膜引入到电路中,可以制备高温报警装置,将复合薄膜通过巧妙的设计组合可制备运动爬行和抓取装置,模拟自然界中一些生物的运动,在智能薄膜领域具有重要的应用价值。(2)通过分子设计,制备了光响应性小分子4-三氟甲基-4’-(N-乙基-N-羟乙基)氨基偶氮苯(CF_3-AZO),并通过~1H NMR、~(13)C NMR、~(19)F NMR、MS、IR和UV-vis对其结构进行了表征。将CF_3-AZO和商品化法版聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备成薄膜,该薄膜再经过拉伸取向后制备得到具有丙酮-光双重响应性的复合薄膜。薄膜对于丙酮蒸汽和365 nm的紫外光具有快速响应行为。利用对比试验,验证了PVDF、CF_3-AZO和拉伸条件对于复合薄膜光响应的必要性;并研究了薄膜光响应的最佳条件(7%的偶氮掺含量和3 cm的光源距离),其响应速度可达到110°/s;通过偏光显微镜、X射线衍射仪、偏振衰减全反射红外光谱和偏振紫外-可见光光谱研究薄膜光响应的机理,实验结果表明通过单轴拉伸,PVDF与光响应性分子CF_3-AZO都发生明显取向,因此,在紫外光照射或丙酮蒸汽的刺激下,薄膜会沿着拉伸取向的方向或垂直方向发生弯曲形变;最后利用此复合薄膜设计制备了光响应电路装置。
【图文】：

一些常见的刺激响应性聚合物和官能团的化学结构如图1.1 所示。响应性聚合物材料具有许多应用，包括化学传感和生物技术，特别是在生物医学应用领域。图 1.1 一些常见的刺激响应聚合物和官能团的化学结构Figure 1.1 Chemical structures of some common stimuli-responsive polymers and functionalgroups

华东师范大学硕士论文而改变了薄膜的性质。如图 1.2 所示，IPAT-x 执行器是由一层墨水、一层 P一层丙烯酸树脂组成，由于丙烯酸树脂中含有羧基，具有亲水性，可预先吸定的水分，所以 IPAT-x 执行器在外界热源的刺激下，丙烯酸树脂中的水分放从而引起薄膜的定向弯曲。也有文献报道，改变薄膜局部交联程度，在温刺激下，不同交联程度区域热膨胀的差异性使得薄膜能发生形变。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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