新型光、 热双响应形状记忆聚合物的制备与性能

doi:10.7503/cjcu20220085

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 20220085.doi: 10.7503/cjcu20220085

新型光、热双响应形状记忆聚合物的制备与性能

于鹏东¹^,², 关兴华²(), 王冬冬²^,³, 辛志荣¹(), 石强²^,³, 殷敬华²

^1.烟台大学化学化工学院, 烟台 264005
^2.中国科学院长春应用化学研究所高分子化学与物理国家重点实验室, 长春 130022
^3.中国科学技术大学, 合肥 230026

收稿日期:2022-02-12 出版日期:2022-06-10 发布日期:2022-03-20
通讯作者: 关兴华,辛志荣 E-mail:guanxinghua@ciac.ac.cn;xinzhirong2012@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(52061135202);国家重点研发计划项目(2018YFE0121400);吉林省科学基金(20190701030GH);山东省自然科学基金(ZR2019MEM008)

Preparation and Properties of Novel Optical and Thermal Dual Response Shape Memory Polymers

YU Pengdong¹^,², GUAN Xinghua²(), WANG Dongdong²^,³, XIN Zhirong¹(), SHI Qiang²^,³, YIN Jinghua²

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Yantai University，Yantai 264005，China
^2.State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China
^3.University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2022-02-12 Online:2022-06-10 Published:2022-03-20
Contact: GUAN Xinghua,XIN Zhirong E-mail:guanxinghua@ciac.ac.cn;xinzhirong2012@126.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52061135202);the National Key Research and Development Program of China(2018YFE0121400);the Science Foundation of Jilin Province, China(20190701030GH);the Natural Science Foundation of Shandong Province, China(ZR2019MEM008)

摘要/Abstract

摘要：

通过多巴胺表面原位聚合反应修饰玻璃微珠, 利用X光电子能谱仪(XPS)和傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR)对修饰前后玻璃微珠表面的化学组成进行了表征, 用热失重分析仪(TGA)对其热稳定性进行了测试, 并利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)对其形貌进行了观察; 研究了改性玻璃微珠对形状记忆共混物聚己内酯和聚氨酯(PCL/TPU)的热性能、力学性能和形状记忆性能的影响. 结果表明, 成功制备了表面包覆聚多巴胺的玻璃微珠(PHGM), 改性玻璃微珠的加入不仅增强了复合材料的力学性能(当改性玻璃微珠含量为3%时, 材料的拉伸强度提高到53.3 MPa, 杨氏模量提高到178.4 MPa), 还赋予了复合材料优异的光热效应. 所制备的形状记忆复合材料在808 nm近红外光的照射下, 可以在短时间内(7 s)升高到材料的开关温度并回复到初始形状.

关键词: 聚多巴胺, 玻璃微珠, 形状记忆复合材料, 光热效应

Abstract:

Glass microsphere was modified by the surface in situ polymerization reaction of dopamine. The chemical composition of the glass microsphere before and after modification was characterized by X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） and Fouried transform infrared spectroscopy（FTIR）， its thermal stability was tested by thermogravimetry（TG） and its morphology was observed by transmission electron microscope（TEM） and scanning electron microscope（SEM）； the effects of the modified glass microsphere on the thermal， mechanical and shape memory properties of the shape memory composite polycaprolactone and polyurethane（PCL/TPU） were investigated. The results show that the surface-coated polydopamine glass microsphere（PHGM） was successfully prepared， and the addition of modified glass microsphere not only enhanced the mechanical properties of the materials（the tensile strength increased to 53.3 MPa and the Young’s modulus increased to 178.4 MPa at 3% of modified glass microsphere）， but also imparted excellent photothermal effects to the materials. When the composites were exposed to 808 nm near infrared（NIR） light， they can reach their switching temperature and return to their permanent shape within a short time （7 s）.

Key words: Polydopamine, Glass microsphere, Shape memory composites, Photothermal effect

中图分类号:

O631

TrendMD:

于鹏东, 关兴华, 王冬冬, 辛志荣, 石强, 殷敬华. 新型光、热双响应形状记忆聚合物的制备与性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220085.

YU Pengdong, GUAN Xinghua, WANG Dongdong, XIN Zhirong, SHI Qiang, YIN Jinghua. Preparation and Properties of Novel Optical and Thermal Dual Response Shape Memory Polymers. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220085.

图/表 8

Fig.1 XPS survey spectra(A) and N1s region(B) spectra, FTIR absorption spectra(C), TGA curves(D), TEM images(E, F) and SEM images(G, H) of HGM and PHGM(E, G) HGM; (F, H) PHGM.

Fig.2 Stress?strain curves(A), Young’s modulus(B), tensile strength(C) and elongation at break(D) of PCL/TPU, PCL/TPU/PHGM and PCL/TPU/PHGMa. PCL/TPU; b. PCL/TPU/1HGM; c. PCL/TPU/1PHGM; d. PCL/TPU/3HGM; e. PCL/TPU/3PHGM; f. PCL/TPU/5HGM,;g. PCL/TPU/5PHGM.

Table 1 Mechanical properties of PCL/TPU, PCL /TPU/HGM and PCL/TPU/PHGM composites

Sample	Tensile strength/MPa	Elastic modulus/MPa	Elongation at break（%）
PCL/TPU	48.8±2.7	127.3±6.1	1680±44.7
PCL/TPU/1HGM	47.4±0.9	149.8±10.2	1580±83.7
PCL/TPU/1PHGM	50.9±1.8	158.3±10.1	1540±54.7
PCL/TPU/3HGM	47.1±1.5	168.7±9.0	1500±70.1
PCL/TPU/3PHGM	53.3±0.6	178.4±6.3	1480±44.7
PCL/TPU/5HGM	41.1±0.8	185.7±4.7	1470±54.7
PCL/TPU/5PHGM	45.4±1.3	210.3±11.5	1440±89.4

Fig.3 SEM images of PCL/TPU/1HGM(A), PCL/TPU/3HGM(B), PCL/TPU/5HGM(C), PCL/TPU/1PHGM(D), PCL/TPU/3PHGM(E) and PCL/TPU/5PHGM(F)

Fig.4 Second heating segment curves of DSC(A) and TGA curves(B) of PCL/TPU, PCL/TPU/HGM and PCL/TPU/PHGM composites

Table 2 Thermal properties of PCL /TPU, PCL/TPU/HGM and PCL/TPU/PHGM composites

Sample	T_m/℃	T_5%/℃	T_max/℃
PCL/TPU	55.20	311.2	406
PCL/TPU/1HGM	55.70	322.0	405.3
PCL/TPU/1PHGM	55.87	334.4	408
PCL/TPU/3HGM	56.03	325.2	407.3
PCL/TPU/3PHGM	56.53	335.8	408.5
PCL/TPU/5HGM	55.87	325.3	407.1
PCL/TPU/5PHGM	56.53	338.3	408.8

Fig.5 Shape memory process(A, B), shape fixity ratio(C) and shape recovery ratio(D) of with PCL/TPU/HGM(A, C) and PCL/TPU/PHGM(B, D) samples and schematic illustration of the shape memory mechanism of PCL/TPU/PHGM(E)a. PCL/TPU; b. PCL/TPU/1HGM; c. PCL/TPU/1PHGM; d. PCL/TPU/3HGM; e. PCL/TPU/3PHGM; f. PCL/TPU/5HGM; g. PCL/TPU/5PHGM.

Fig.6 Temperature?time curves of the representative samples under the near?infrared light(A), NIR?triggered shape recovery of the “U” type PCL/TPU/PHGM composites(B) and schematic diagram of shape recovery of NIR?triggered PCL/TPU/PHGM(C)

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