碳量子点/形状记忆聚合物复合材料制备及荧光调控研究

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光学可调控的形状记忆高分子(SMP)材料能在特定的刺激条件下实现对光学性能的响应性调节,在信息传递、生物传感和微光学器件等领域具有重要的应用前景。目前,对此种类型的SMP材料的研究主要集中在两个方面。一种方法是通过调节材料本身具有的响应性化学发光组分来实现对光学性能的控制。另一种方法则是通过改变SMP的微观结构来实现对光学性能的调控。然而,在现有的光学可调控的SMP材料体系中,形状记忆性能和光学性能之间的相互联系的研究还不够完善,对材料其他功能的开发也相对缺乏,这就限制了该类材料的应用。因此,本文制备出三种不同SMP复合材料,分别对其水响应形状记忆性能及荧光可调控性能、宏观/微观尺度下形状记忆性能及荧光可调控性能、形状记忆微阵列对荧光性能和浸润性的调控等方面进行研究,并对其相关机理进行分析。研究内容如下:通过水热法制备具有pH响应的碳量子点(CQDs),然后将CQDs与聚乙烯醇(PVA)复合,获得水响应荧光可调控的CQDs/PVA形状记忆复合材料。当CQDs在整个体系中的质量分数为2%时,CQDs/PVA复合材料的形状固定率和形状回复率都可以达到95%以上。CQDs/PVA复合材料在酸、碱性溶液中的临时形状均可回复,其荧光性质和CQDs一致。复合材料的水响应形状回复主要通过CQDs与PVA的相互作用形成的物理交联作用。其作为固定相结构,能够阻止分子链的滑移。复合材料的荧光可调控性能主要通过CQDs表面羧基的质子化与去质子化的作用来实现。CQDs在酸性水溶液中,表面的羧基质子化,展现出较弱的荧光强度。在碱性水中,CQDs表面的羧基去质子化,因而相比于酸性条件下具有较强的荧光。将具有pH响应的CQDs、PVA和聚丙烯酰胺(PAM)复合,制备出在宏观和微观尺度上形状记忆和荧光都可调控的CQDs/PVA/PAM水凝胶复合材料。当交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰(MBA)在PAM中的含量为0.11%的时候,复合材料的形状固定率和形状回复都至少可以达到90%。复合材料在形状回复过程中的每个状态都对应着相应的荧光强度变化,可以通过材料荧光的变化来掌握复合材料在宏观或微观尺度下的形状记忆性能。CQDs/PVA/PAM水凝胶的形状记忆性能主要取决于PAM和可逆的动态硼酸酯键。在碱性条件下,它的形成有利于固定临时形状。在酸性溶液中,动态硼酸酯键会解离,通过PAM和PVA分子链的弹性回复作用,复合材料回复至初始形状。复合材料的荧光可调控性能主要由于CQDs表面羧基官能团在酸性和碱性条件下的不同结构所引起的。利用光固化3D打印、PDMS反模板法和表面修饰的方法制备出超疏水CQDs/环氧树脂复合材料微阵列。该材料的形状固定率和形状回复率分别是98.1%和98.8%,从而能够实现微阵列竖直状态到倾斜状态之间的可逆调控。在微阵列两侧面修饰有荧光的CQDs,通过微阵列结构从竖直状态到倾斜状态之间的切换,能够可逆调控荧光的有无,进而制备可擦写荧光图案。微阵列结构的变化还能够影响其浸润性。液滴在竖直微阵列(宽度、高度和间距分别为390(?)m、2 mm和775(?)m)上展现出非定向滚动特征,滚动角为9°。当微阵列倾斜角为30°,液滴沿着微阵列弯曲方向滚动的滚动角为42°;液滴在逆着阵列弯曲方向不滚动,展现出定向滚动的特征。液滴在竖直和倾斜微阵列上滚动方式的差异主要是由于受到的滚动阻力不同所造成的。
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