力致变色功能材料能直观反映出材料的受力形变状态,在运动损伤康复、材料结构实时监控等方面有着不错的应用前景。这类材料的功能特性往往依赖于变色小分子,通过分子结构设计提升变色小分子自身受力变色效应是其高性能化的一种常用的途径。然而,在实际填充体系中,基体所受应力能否有效地传导至变色小分子,决定了材料是否有效地利用变色小分子的特性,这极大地影响到该材料的力致变色响应特性。围绕着如何提升变色小分子与基体分子链之间的相互作用,以增强基体与变色小分子之间作用力的有效传导,本文选择以螺吡喃为变色小分子,通过螺吡喃多羟基化以及稀土改性,调节变色小分子与基体聚氨酯链相互作用以及聚氨酯相态结构,细致研究了螺吡喃多羟基化和稀土改性对于功能材料结构及受力响应的影响关系,以期建立从变色小分子与基体受力行为调控力致变色材料响应特性的方法。为此,主要开展研究内容包括:1)设计具有不同羟基数目的螺吡喃衍生物,建立多羟基化螺吡喃衍生物合成方法,研究羟基化对于螺吡喃变色效应的影响;2)制备含螺吡喃的聚氨酯材料,研究不同羟基结构对聚氨酯结构以及对变色小分子与基体之间相互作用的影响,建立基于有效力传导的变色效率的评价方法,阐明材料结构与变色响应特性之间的关系;3)向含螺吡喃的功能化聚氨酯中引入稀土元素,研究稀土配体及稀土配合物对于功能材料结构以及变色响应的调节作用,探索通过第二功能单元引入,增强材料力致变色效应的可能性。基于深入、细致的研究工作,得到的主要结论如下:1)成功合成了具有不同羟基数目的螺吡喃衍生物。羟基的存在对于螺吡喃变色响应无明显影响,都显现出紫外光激发下变色响应与可见光条件下其结构可恢复的性质。螺吡喃衍生物中的多羟基与异氰酸酯有均衡的反应活性。2)采用溶液预聚法制备了 9种含不同螺吡喃衍生物的聚氨酯材料。对应于不同结构的螺毗喃衍生物,其在聚氨酯基体中呈现不同的存在形式。双羟基螺吡喃的两个羟基能有效地“抓住”聚氨酯主链,使应力能更有效地传递到双羟基螺吡喃上,导致其结构变化从而产生力致变色响应。且该材料在具有力致变色响应的同时没有损失其力学性能和热稳定性能。3)建立含螺吡喃聚氨酯的力传导行为和变色效率之间的定量表达关系,确定描述功能材料力致变色程度的λ值。随着螺吡喃衍生物中羟基数目的增加,螺吡喃与聚氨酯之间力传导效率提升,λ值由5.7×10-6增加至1.4×10-5。4)含螺吡喃聚氨酯功能材料在拉伸条件下,拉应力破坏聚氨酯的微相结构,聚氨酯链沿着拉伸方向发生取向,从而有效地将载荷传递到螺吡喃上。不同的羟基化螺吡喃影响聚氨酯的微相结构,进而影响作用力的传递。5)合成含不同配体结构的稀土配合物,建立稀土配合物改性功能聚氨酯材料的工艺方法。配体与配合物之间可能存在的“天线效应”,实现配合物与含螺吡喃聚氨酯材料体系之间的能量传递,呈现出不同的变色响应,为进一步实现材料的力致多元变色提供了可能性。