多重刺激响应型有机硅荧光材料的制备与性能研究

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有机硅荧光材料结合了有机硅材料和荧光材料两者的特点,已受到越来越多研究者的关注。理论上来说,将具有共轭结构的荧光小分子作为侧基或端基接枝到聚硅氧烷主链上,是制备荧光功能化有机聚硅氧烷材料最简便、直接的一种方法。通过这种方式,人们已经开发出许多有机硅荧光材料并成功应用于爆炸物检测、指纹识别等领域。但相比于传统荧光功能的碳基小分子或聚合物来说,有机硅荧光材料仍较为稀少,且相关报道多聚焦在合成方法学上,对硅氧烷主链与荧光侧基、端基之间的相互作用关注较少。而实际上,刚性共轭结构的荧光侧基/端基的引入必然会对硅氧烷的性质产生影响,反过来,受到聚硅氧烷链段的牵制作用,荧光基团的性质也会产生一些变化。深入研究二者之间的相互影响、协同作用,不仅有助于我们从更深层次上认识和理解有机硅荧光材料的结构-性质关系,同时也有望为材料带来全新的应用,赋予材料“多功能性”。基于此种考虑,本论文围绕荧光基团修饰的有机聚硅氧烷展开研究,通过Heck反应在聚硅氧烷链段上接枝不同的荧光基团,制备了一系列荧光功能化的有机聚硅氧烷及硅橡胶弹性体,深入分析了荧光基团与硅氧烷链段之间的相互影响,并利用二者之间的协同作用,进一步挖掘了材料的多重刺激响应能力,有效拓展了有机硅荧光材料的应用领域。论文的主要研究内容包括以下三个方面:其一,苯胺修饰聚硅氧烷的制备与荧光响应性能研究。通过Heck反应,以端乙烯基聚二甲基硅氧烷和4-溴-N,N-二甲基苯胺为原料,合成了苯胺修饰的聚硅氧烷材料(PN-1)。PN-1在分散态和聚集态下都对刺激展现出灵敏的循环荧光响应能力;在紫外光刺激下,PN-1还可以迅速发生固-液转化,同时伴随着荧光的开-关现象。其二,四苯乙烯修饰聚硅氧烷的制备与荧光响应性能研究。通过Heck反应,分别以不同聚合度的乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、侧链乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷和具有聚集诱导发光效应(AIE)的1-(4-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯(TPE-Br)为原料,合成了一系列四苯乙烯修饰的荧光聚硅氧烷材料(PTPE1、PTPE2、PTPE3、PTPE-20%)。研究发现,PTPE系列材料仍然表现出典型的AIE效应,在THF/H2O混合溶剂中,当水含量达到80%时,因聚集导致荧光强度骤增;但由于荧光基团的运动能力受到聚硅氧烷链段的影响,PTPE系列材料的发光行为与单纯的TPE-Br相比发生了显著变化,其最大荧光发射波长λem随主链聚合度的增大而增大,可从455nm红移到495nm;得益于聚硅氧烷主链与TPE侧基的协同作用,PTPE表现出优异的热刺激荧光响应能力,响应温度从室温到190℃,具有良好的可循环性。其三,四苯乙烯改性硅橡胶的制备与荧光响应性能研究。利用含有残余乙烯基的PTPE-20%作为荧光基胶,改变其添加份数,依据硅氢加成交联机理制备了二甲基(RTPE0~RTPE4)和甲基苯基(PRTPE0~PRTPE4)两种体系的四苯乙烯改性硅橡胶。对于RTPE,RTPE1的拉伸强度最大,为4.42MPa,比空白样提高了125%;改性之后硅橡胶的热失重温度稍低于空白样,残重有所降低。对于PRTPE来说,改性后拉伸强度明显增强,PRTPE3的拉伸强度最大,为4.33MPa,相比空白样提高了153%;改性后硅橡胶热失重温度高于空白样,热稳定性更好。四苯乙烯改性后的硅橡胶表现出溶剂刺激荧光响应行为。此外,RTPE1和RTPE2还具有独特的力刺激荧光响应现象,当材料被连续拉伸时,荧光强度逐渐增强。两种体系的硅橡胶中,聚硅氧烷链段与AIE分子之间在不同环境下具有不同的运动机制,从而表现出不同的发光行为。
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