萘并吡喃掺杂聚合物薄膜的制备及其光致变色行为研究

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有机光致变色材料由于可逆的光致变色反应,引起分子结构、颜色、电磁分布等变化,在光信息存储、光学显示与全息成像、光致变色眼镜与服饰、智能响应材料等众多领域有着广泛的发展潜力。光致变色分子可以采用聚合物为基体,但负载于基体时,为达到快光响应,通常牺牲力学性能来满足光异构的微观环境。为了解决这一矛盾,可采用物理掺杂或化学改性,但仍然面临挑战。本论文一方面通过对聚合物进行增塑,提高聚合物的自由体积,从而达到力学性能与快光响应速率间的平衡;另一方面,通过聚合物分散凝胶的方法,采用两亲性表面活性剂(Gemini)调节聚合物/凝胶界面相互作用,为变色分子提供刚性聚合物中的微溶液环境。首先,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基体,萘并吡喃(NA)为光致变色分子,邻苯二甲酸二辛酯(DOP)为增塑剂,采用溶液浇铸成膜法制备聚合物分散NA光致变色薄膜。系统研究了增塑剂对NA的光致变色性能、褪色速率、耐疲劳性能以及材料力学性能的影响。结果表明:DOP的加入,增加了基体极性,导致变色分子的最大吸收波长蓝移;同时,聚合物的自由体积增大,NA在薄膜中的褪色速率最高可提高到未添加前的3倍,薄膜的疲劳性能随着DOP的增加有所提高。NA和DOP的加入,均对PMMA起到增塑作用,薄膜的弹性模量和拉伸强度均下降,同时韧性提高。DOP含量为40 wt%时,薄膜的弹性模量与拉伸强度分别下降至451 MPa与8.4 MPa,降幅分别达50%与60%,但断裂伸长率提高5倍。其次,通过共溶剂溶解-乳化-溶剂挥发法,采用聚丙二醇(PPG)为有机溶剂,聚乙烯醇(PVA)为聚合物基体,制备了PVA分散光致变色凝胶薄膜。采用Gemini调节聚合物/凝胶界面的相互作用,研究结果表明:PVA分散螺吡喃(SP)凝胶薄膜表现出良好的光致变色行为与类溶液的褪色行为,SP在薄膜中褪色速率与聚丙二醇(PPG)溶液相近,为0.0418 s-1;薄膜具有良好的力学性能,其弹性模量与拉伸强度分别为547 MPa与23.5 MPa;经过10次变色-褪色循环后,薄膜最大吸收波长处吸光度A衰减了约35%,相比以PVA1为表面活性剂(53%),耐疲劳性明显提升。Gemini有序聚集过程中头基分离力的有效阻抑,抑制了PVA/有机凝胶界面对SP的锚定,使更多SP分子分布于自由异构的有机凝胶微环境,提高薄膜褪色速率,同时可逆异构分子数量的增加,薄膜耐疲劳性提高。为了研究聚合物分散凝胶方法在获得快光响应方面的普适性,我们以开环体极性更弱的NA为变色分子,制备了一系列PVA分散NA变色凝胶薄膜。研究结果表明:Gemini乳化薄膜(NA-PDPG 1)与PVA1乳化薄膜(NA-PDPG 2)褪色速率分别为0.167 s-1与0.2 s-1,比NA-PPG溶液(0.153 s-1)中快。薄膜中凝胶的存在虽然使材料的力学性能有所降低,拉伸强度与弹性模量分别在23.528.5 MPa和500650 MPa,均相比于纯PVA薄膜降低了50%,断裂伸长率在200%左右,相比于PVA薄膜提高约25%。
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