压力、光响应性高分子材料的性质探索与应用

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近年来,刺激响应性高分子由于可对周围环境做出独特的响应行为,在柔性可穿戴器件、微型机器人、智能药物释放系统、纳米摩擦发电机、信息加密等新兴领域得到了广泛应用。在受到光、热、电、磁、压力等刺激时,这类材料会发生形状、体积、颜色等理化性质的改变。在刺激响应性高分子材料中,压力响应性和光响应性高分子材料占据着重要地位。一方面,生命体日常的运动会产生大量不易被收集的机械力,压力响应高分子材料制成的传感器设备可以对这些力进行响应并转化成电信号,从而完成对人体运动、健康的监测。另一方面,光作为一种清洁能源,同时具备时空分辨率高、生物相容性好、参数易调节等特点。光响应性聚合物因此能够实现无接触的、精准的实时响应,这也为其在许多重要领域的应用奠定了基础。在本论文中,我们开展了压力响应性和光响应性高分子材料在摩擦电传感、微量液体操控、熔点调控三个方面的研究,主要内容如下:1.我们制备了一种基于果胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的压力响应性聚合物材料,并在此基础上制备了一种检测范围宽、灵敏度高的摩擦电压力传感器(BSTS)。制备得到的果胶-PDMS材料具有多层次结构。其中,位于材料顶部的圆盘状结构能够感应最小5Pa的压力,并产生稳定的电信号。而竹节状的微观结构使得材料在受到大压力刺激时,仍能保持良好的响应性和回弹性。经过测试,BSTS在小压力范围(0~8 kPa)具有3.627 kPa-1的灵敏度,在大压力范围(8~80kPa)也达到了 1.264 kPa-1。此外,我们还利用BSTS作为元件制造了一款智能坐垫,该坐垫能够对使用者的坐姿进行实时监测并做出相应的提醒。这项工作为制造新型智能穿戴设备奠定了基础。2.我们通过原位合成的方式,在毛细管外壁包覆了类似光栅结构的光热响应性聚吡咯材料。将这种微管作为驱动器,可以通过红外光的刺激实现精准、快速的液滴操控。该驱动器可以运送大部分常见的液体,还能够在倾斜状态下使液滴向上“爬行”。此外,该驱动器能够在光诱导下使液滴竖直向上运动。通过调控不同的参数,液滴可以实现不同的运动速度。这种光响应性微管在微反应器等领域具有潜在的应用前景。3.我们合成了一种偶氮苯封端的半结晶型聚合物材料(azo-PCL)。该材料具有紫外光响应性。在紫外光下,该材料能够实现熔点降低、固液变化(固态到熔融态)、结晶度转变(半结晶型至无定形)以及透明度的可逆变化。其原理是基于偶氮苯基团的光致异构化以及光热效应的协同机理。这些独特的性质,使azo-PCL材料在防伪、智能玻璃和自修复材料领域有潜在的应用前景。
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