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

doi:10.7503/cjcu20220085

Abstract

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

CLC Number:

O631

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220085.

Figures/Tables 8

References 39

1	Chen J.， Sun D. A.， Gu T.， Qi X. D.， Yang J. H.， Lei Y. Z.， Wang Y.， Compos. Sci. Technol.， 2022， 217， 109123
2	Zheng L. Y.， Li Y.， Hu X.， Shen J. B.， Guo S. Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（16）， 13988—13998
3	Du H. Y.， Liu L. W.， Zhang F. H.， Leng J. S.， Liu Y. J.， Compos. B. Eng.， 2019， 173， 106905
4	Jing X.， Mi H. Y.， Huang H. X.， Turng L. S.， J. Mech. Behav. Biomed. Mater.， 2016， 64， 94—103
5	Xu X. H.， Fan P. D.， Ren J.， Cheng Y.， Ren J. K.， Zhao J.， Song R.， Compos. Sci. Technol.， 2018， 168， 255—262
6	Bi H. J.， Ye G. Y.， Yang H. Y.， Sun H.， Ren Z. C.， Guo R.， Xu M.， Cai L. P.， Huang Z. H.， Eur. Polym. J.， 2020， 136， 109920
7	Chen Y.， Zhao X.， Luo C.， Shao Y.， Yang M. B.， Yin B.， Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.， 2020， 135， 105931
8	Dhanasekaran R.， Reddy S. S.， Kumar G. B.， Anirudh A. S.， Mater. Today， 2018， 5（10）， 21427—21435
9	Qi X. D.， Dong P.， Liu Z. W.， Liu T. Y.， Fu Q.， Compos. Sci. Technol.， 2016， 125， 38—46
10	Qi X. D.， Xiu H.， Wei Y.， Zhou Y.， Guo Y. L.， Huang R.， Bai H. W.， Fu Q.， Compos. Sci. Technol.， 2017， 139， 8—16
11	Lu H.， Huang W. M.， Leng J. S.， Compos. B. Eng.， 2014， 62， 1—4
12	Zhang F. H.， Wang L. L.， Zheng Z. C.， Liu Y. J.， Leng J. S.， Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.， 2019， 125， 105571
13	Li W. B.， Liu Y. J.， Leng J. S.， RSC Adv.， 2014， 4（106）， 61847—61854
14	Le X. X.， Lu W.， Xiao H.， Wang L.， Ma C. X.， Zhang J. W.， Huang Y. J.， Chen T.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（10）， 9038—9044
15	Xiao H.， Lu W.， Le X. X.， Ma C. X.， Li Z. W.， Zheng J.， Zhang J. W.， Huang Y. J.， Chen T.， Chem. Comm.， 2016， 52（90）， 13292—13295
16	Qian Y. H.， Zhang D. J.， Cheng Z. J.， Kang H. J.， Liu Y. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（8）， 1823—1828
	钱艺豪，张东杰，成中军，康红军，刘宇艳. 高等学校化学学报， 2018， 39（8）， 1823—1828
17	Hager M. D.， Bode S.， Weber C.， Schubert U. S.， Prog. Polym. Sci.， 2015， 49/50， 3—33
18	Zhao W.， Liu L. W.， Zhang F. H.， Leng J. S.， Liu Y. J.， Mater. Sci. Eng. C， 2019， 97， 864—883
19	Mu T.， Liu L. W.， Lan X.， Liu Y. J.， Leng J. S.， Compos. Sci. Technol.， 2018， 160， 169—198
20	Mochane M. J.， Sefadi J. S.， Motsoeneng T. S.， Mokoena T. E.， Mofokeng T. G.， Mokhena T. C.， Polym. Compos.， 2020， 41（7）， 2958—2979
21	Meng Q. H.， Hu J. L.， Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.， 2009， 40（11）， 1661—1672
22	Zhou Y.， Tan J. Y.， Chong D. D.， Wan X. H.， Zhang J.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 29（33）， 1901202
23	Zhang Y.， Xu W. X.， Xu X. J.， Cai J.， Yang W.， Fang X. S.， J. Phys. Chem. Lett.， 2019， 10（4）， 836—841
24	Cui H.， Miao S.， Esworthy T.， Lee S.J.， Zhou X.， Hann S. Y.， Webster T. J.， Harris B. T.， Zhang L. G.， Nano Res.， 2019， 12（6）， 1381—1388
25	Melly S.K.， Liu L. L.， Liu Y. J.， Leng J. S.， J. Mater. Sci.， 2020， 55， 10957—11051
26	Peng S.， Wang Y.， Peng C.， Peng X. B.， Bull. Chin. Ceram. Soc.， 2012， 31（6）， 1508—1513
	彭寿，王芸，彭程，彭小波.硅酸盐通报， 2012， 31（6）， 1508—1513
27	Li K.， Jin S. C.， Li J. Z.， Chen H.， Ind. Crops Prod.， 2019， 132， 197—212
28	Chen K. L.， Zhao Y. H.， Yuan X. Y.， Prog. Chem.， 2013， 25（1）， 95—104
	陈凯玲，赵蕴慧，袁晓燕. 化学进展， 2013， 25（1）， 95—104
29	Liu Y.， Li T.， Wang Y.， Dong W. F.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（8）， 1775—1783
	刘耘，李婷，汪洋，东为富. 高等学校化学学报， 2019， 40（8）， 1775—1783
30	Wu. F. R.， Lui Y. J.， Lu X. M.， Zhu B.S.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 465—472
	邬丰任，刘永佳，陆学民，朱邦尚. 高等学校化学学报， 2020， 41（3）， 465—472
31	Li W. B.， Shang T. H.， Yang W. G.， Yang H. C.， Lin S.， Jia X. L.， Cai Q.， Yang X. P.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（20）， 13037—13050
32	Zhao S. J.， Wang Z.， Zhang W.， Li J. Z.， Zhang S. F.， Huang A. M.， ACS Omega， 2018， 3（9）， 10657—10667
33	Xie F.， Wang Y. F.， Zhuo L. H.， Qin P. L.， Ning D. D.， Wang D. N.， Lu Z. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 582—590
	谢璠，王亚芳，卓龙海，秦盼亮，宁逗逗，王丹妮，陆赵情. 高等学校化学学报， 2020， 41（3）， 582—590
34	Liu Y. C.， Wu K.， Luo F. B.， Lu M. P.， Xiao F.， Du X. X.， Zhang S. H.， Liang L. Y.， Lu M. G.， Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.， 2019， 117， 134—143
35	Zhang H. P.， Han W.， Tavakoli J.， Zhang Y. P.， Lin X. Y.， Lu X.， Ma Y.， Tang Y. H.， Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.， 2019， 116， 62—71
36	Chen Q.， Mangadlao J. D.， Wallat J.， De Leon A.， Pokorski J. K.， Advincula R. C.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（4）， 4015—4023
37	Sun D. X.， Huang C. H.， Mao Y. T.， Qi X. D.， Lei Y. Z.， Wang Y.， Compos. Sci. Technol.， 2022， 217， 109088
38	Chen Y. L.， Zhang M. L.， Lin Z. W.， Shi X. Y.， Polymer， 2020， 206， 122898
39	Lui Y. W.， Guo Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2015， 36（7）， 1389—1394
	刘宇炜，郭卓. 高等学校化学学报， 2015， 36（7）， 1389—1394

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

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

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

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

[1]	MENG Xiangyu, ZHAN Qi, WU Yanan, MA Xiaoshuang, JIANG Jingyi, SUN Yueming, DAI Yunqian. Photothermal Enhanced Photocatalytic Hydrogenation Performance of Au/RGO/Na₂Ti₃O₇ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(3): 20210655.
[2]	SUN Qirui, ZHAO Nan, LIU Shuwei, XIN Hua, ZHANG Hao, ZHANG Lening. Polydopamine-coated Fe₃O₄/methylprednisolone/cyclophosphamide Superparticles for the Magnetic Targeting Treatment of Pulmonary Fibrosis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3225.
[3]	WU Fengren,LIU Yongjia,LU Xuemin,ZHU Bangshang. Controllable Preparation of Polydopamine Modified Gold Nanoflowers and Its Application in Photothermal Therapy ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(3): 465.
[4]	WANG Xiaohui, WANG Kexin, LIU Junping, HONG Xia. Mesoporous-structure Enhanced Photothermal Effect of Fe₃O₄ Superparticles@mesoporous Silica [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(8): 1586.
[5]	LIU Yun, LI Ting, WANG Yang, DONG Weifu. Preparation of Multi-scale Superhydrophobic Cotton/Polydopamine/Silica Composite for Selective Oil Absorption [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(8): 1775.
[6]	XIONG Zhengrong,DONG Li,LIU Xiangdong,YANG Yuming. Preparation and Properties Characterization of PDA/PVDF UV Shielding Composite Membranes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(4): 849.
[7]	YANG Shuting, LI Qianhui, FAN Yuchang, WANG Qiuxian, DU Ting, YUE Hongyun. Li₄Ti₅O₁₂ Modification by Bifunctional Bionic Membrane as Anode Materials for Lithium-ion Batteries^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(11): 2513.
[8]	LIU Yuwei, GUO Zhuo. Polydopamine-doxorubicin Colloidal Nanoparticles for Chemo-Photothermal Synergistic Therapy Against Cancer Cell^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(7): 1389.
[9]	MA Lina, LIU Fuyao, GAO Jiaxue, WANG Zhenxin. Polydopamine Nanoparticle-based Fluorescence Resonance Energy Transfer Assay for microRNA Detection^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(6): 1061.
[10]	ZHANG Wei, WANG Yi-Long, ZHAO Su-Ling, GUAN Jian-Guo. Surface Modification of Silver Coated Glass Microsphere Core-shell Composite Particles and the Electrical Properties of Their Epoxy Resin-based Adhesives [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(03): 615.
[11]	LIU Shu-Qin, SHI Da-Xin, CUI Yi-Hong, CAO Zhu-You . Microstructure and Surface Topography of Aluminum Films Deposited on Glass Microspheres in a Fluidized Bed CVD Reactor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2000, 21(3): 339.