于鹏东, 关兴华, 王冬冬,3, 辛志荣, 石强,3, 殷敬华
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)
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.
聚多巴胺; 玻璃微珠; 形状记忆复合材料; 光热效应
形状记忆聚合物(SMPs)作为智能材料, 在感应周围环境变化时具有形状记忆效应. 与形状记忆陶瓷和合金相比, SMPs具有制备工艺简单、 响应速度快、 轻量化、 可回复形变量大、 易回收等优势[1]. SMPs按照响应刺激方式可分为热驱动[2~4]、 光驱动[5~8]、 电驱动[9~11]、 磁驱动[12,13]、 pH驱动[14,15]和溶液驱动[16]等. 其中, 热响应形状记忆聚合物(TSMPs)形变温度控制方法相对简单, 易加工成型, 应用范围较广泛[17,18]. 结构上, TSMPs由开关相和固定相两部分组成, 开关相决定材料变形温度以及形状记忆过程中的临时形状, 固定相决定材料初始形状以及为材料形状回复过程提供驱动力[19]. TSMPs可回复形变量较大, 但其机械强度低、 稳定性差以及响应性单一等缺点限制了其在强负荷环境和非接触条件下的应用[20,21].
形状记忆复合材料(SMCs)可以弥补SMPs力学强度低的缺陷, 同时在形状记忆回复过程中变形回复力较大, 形状保持能力较好, 在SMPCs中加入功能性填料可开发出非接触控制材料, 比如光致SMPs, 能够实现远程精准控制[22~24]. 目前所使用的填料主要可以分为颗粒填料和纤维填料两类, 其中颗粒填料主要有碳基材料(石墨烯、 炭黑和碳纳米管等)、 金属化合物(四氧化三铁等)、 非金属氧化物(二氧化硅和氮化碳等), 纤维填料研究最多的是玻璃纤维和碳纤维[25]. 玻璃微珠(HGM)作为一种无机填料, 具有质量轻、 强度高、 化学稳定性好等优点, 近些年来引起人们的广泛关注[26], 然而大多数研究集中在HGM的添加对材料机械性能、 导热性和电磁屏蔽性能的影响方面, 对材料形状记忆性能的影响少有研究.
由于玻璃微珠表面有大量的羟基和不饱和键, 表面能较高、 易团聚, 与聚合物基体的相容性较差, 因此在制备玻璃微珠复合材料时, 需要对玻璃微珠的表面进行改性, 降低表面能, 提高分散性[27]. 现在已经开发出了很多方法对玻璃微珠的表面进行改性, 按照改性原理可以分为物理改性法和化学改性法[28]. 物理改性法主要是通过吸附、 涂覆及包覆等物理作用对玻璃微珠表面进行修饰. 然而改性剂只通过范德华力和静电力等简单地吸附或包覆在玻璃微珠表面, 界面黏结力较弱, 当体系环境发生改变时, 会出现相分离. 化学改性法则是利用玻璃微珠表面硅羟基与改性剂之间发生化学反应, 改变玻璃微珠表面化学组成来达到改性表面的目的. 研究最多的是偶联剂改性法, 偶联剂水解后与玻璃微珠反应, 然而偶联剂的水解产物会发生自缩合, 影响偶联剂与玻璃微珠的反应. 利用聚多巴胺(PDA)改性有机或无机材料表面是近些年发展起来的新技术. 聚多巴胺作为一种生物黏附力超强的大分子材料, 几乎可以在任何无机、 有机物质表面形成强烈的共价和非共价相互作用, 同时聚多巴胺改性会在填料表面引入羟基和氨基基团, 增强填料与聚合物之间的相容性, 更好地提升材料的性能[29]. 多巴胺分子在碱性条件下易氧化自聚合成聚多巴胺, 该改性方法具有操作简单、 反应条件温和、 对环境负面影响小等优点[30]. 此外, 聚多巴胺具有很强的光热效应, 有望用于制备光、 热双响应SMPs. 但聚多巴胺改性填料在形状记忆复合材料中的应用研究鲜有报道.
本文制备了表面包覆聚多巴胺涂层的玻璃微珠(PHGM), 并将其作为增强相与聚己内酯(PCL)和聚氨酯(TPU)熔融共混, 制备了PCL/TPU/PHGM复合材料, 研究了PHGM对复合材料性能的影响. 发现聚多巴胺的引入增加了玻璃微珠与聚合物基体之间的相容性, 提升了材料的力学性能和形状记忆性能, 还赋予了材料优异的光响应形状记忆性能, 材料可以在7 s内回复到初始形状, 为制备光、 热双响应形状记忆材料提供了一种新思路.
玻璃微珠(HGM), KW-3, 深圳市空微特种材料有限公司; 盐酸多巴胺(纯度98%)和三羟甲基氨基甲烷(Tris, 纯度99%)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 盐酸, 分析纯, 购自国药集团化学试剂有限公司; 聚己内酯(PCL, CAPA6800), 英国Perstorp 公司; 热塑性聚氨酯(TPU), Elastollan 1185A, 德国BASF公司; 超纯水为实验室自制.
Vertex 70型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR), 德国Bruker公司; Thermo ESCALAB 250型X射线光电子能谱仪(XPS), 德国Thermo Fisher公司; XL-30型场发射扫描电子显微镜(SEM), 荷兰Philips公司; Tecnai G2 F20 S-TWIN型场发射透射电子显微镜(TEM), 美国FEI公司; XSS-300型转矩流变仪, 上海科创橡塑机械设备有限公司; 平板硫化机, 青岛亚东橡塑机械有限公司; Q20型示差扫描量热仪(DSC), 美国TA Instrument公司; Q500型热重分析仪(TGA), 美国TA Instrument公司; AGS-X型万能试验机, 日本岛津公司; HT-Q9型红外热成像仪, 东莞市鑫泰仪器仪表有限公司.
1.2.1聚多巴胺改性玻璃微珠参照文献[30]方法进行玻璃微珠改性. 将0.5 g Tris溶于500 mL超纯水中, 使用盐酸调节溶液pH值为8.5, 加入3 g中空玻璃微珠, 超声3 h使其分散均匀; 磁力搅拌下, 加入1 g盐酸多巴胺, 在室温下搅拌24 h; 将反应混合液抽滤、 用超纯水洗涤多次; 将所得产物在60 ℃真空干燥12 h, 得到聚多巴胺改性中空玻璃微珠(PHGM).
1.2.2PCL/TPU/PHGM的制备将PCL在40 ℃烘箱中干燥10 h, TPU在80 ℃烘箱中干燥12 h.在转矩流变仪中,在170 ℃下以80 r/min的速度将35 g PCL和15 g TPU共混5 min; 分别将质量分数为1%, 3%和5%的改性玻璃微珠和未改性玻璃微珠加入到转矩流变仪中, 熔融共混5 min, 获得具有不同质量分数PHGM的共混物和HGM的共混物. 根据试样中PHGM和HGM含量的不同, 将混合物依次命名为PCL/TPU/1HGM, PCL/TPU/3HGM, PCL/TPU/5HGM, PCL/TPU/1PHGM, PCL/TPU/3PHGM和PCL/TPU/5PHGM. 为了进行对比, 还采用上述方法制备了不加玻璃微珠的样品, 命名为PCL/TPU.
将得到的复合材料使用平板硫化机压成1 mm厚的薄膜, 然后裁切成50 mm×4 mm×1 mm的哑铃形样条, 在万能试验机上进行拉伸测试. 每个样品测试5个样条, 取平均值.
将共混物样条使用液氮淬断, 然后在断裂面表面镀上一层金, 使用扫描电子显微镜观察样品断裂面的形貌和改性前后玻璃微珠的形貌. 将改性前后的玻璃微珠超声分散在乙醇中, 然后在滴加到铜网上晾干, 使用透射电子显微镜观察改性前后玻璃微珠的结构.
使用差示扫描量热仪表征PCL/TPU, PCL/TPU/HGM和PCL/TPU/PHGM的玻璃化转变和结晶熔融行为. 首先将测试样品加热到100 ℃并保持5 min消除热历史, 然后样品冷却至室温并保持5 min, 在氮气氛围下以10 ℃/min的升温速度从-20 ℃升温至100 ℃.
使用热重分析仪表征HGM, PHGM, PCL/TPU, PCL/TPU/HGM和PCL/TPU/PHGM的热稳定性, 在氮气氛围下以10 ℃/min的升温速度从室温升温至700 ℃.
使用带热箱的万能试验机测试共混物的热响应形状记忆性能. 具体步骤如下: (1) 首先, 在样品上标记初始距离0(mm), 然后将样品在70 ℃的热箱中保持5 min; (2) 将样品以20 mm/min的速度拉伸 20 mm, 并记录标记间隔1(mm)的长度; (3) 保持样条拉伸的长度, 冷却至室温; (4) 取下样条并在 5 min后记录标记间的长度2(mm); (5) 将样品加热至70 ℃并保持5 min, 然后测量标记之间的长度3(mm). 形状固定率(R, %)和形状恢复率(R, %)根据以下公式计算, 每个样品测试5个样条并取平均值:
光响应形状记忆性能的测试方法如下: 在70 ℃下将100 mm×5 mm×1 mm的长方形样条变形为“U” 形, 然后将温度降至25 ℃并释放压力, 使用808 nm激光发射器照射变形样品的弯曲部分, 同时使用摄像机记录材料的形状回复过程.
Scheme 1示出了空玻璃微珠的改性过程. 多巴胺能在碱性条件下氧化自聚形成聚多巴胺, 易吸附在玻璃微珠表面, 使其表面含有丰富的羟基和氨基[29].
Scheme 1Synthesis route of PHGM
图1(A)和(B)分别为HGM和PHGM的XPS全谱图和局部放大谱图, 结合能在101.9, 284.5和532.3 eV的吸收峰分别归属于Si元素、 C元素和O元素. 在HGM中只观察到了C, O和Si 3种元素的吸收峰, 而PHGM的样品中不仅观察到了C, O和Si 3种元素的吸收峰, 还在400.1 eV处出现了明显的1s的吸收峰, 这是由于聚多巴胺改性在玻璃微珠中引入了N元素. 图1(C)是HGM和PHGM的红外谱图, 通过对比发现, PHGM在1504 cm-1处出现了新的—NH—的伸缩振动峰. XPS和FTIR结果表明, 聚多巴胺成功地包覆在HGM表面. 图1(D)为HGM和PHGM的TGA曲线, 700 ℃时PHGM样品约失重4%. 图1(E)和(F)分别为HGM和PHGM透射电镜图, 可以看出 HGM轮廓较为光滑, 而PHGM轮廓相对粗糙, 这与聚多巴胺附着在微珠表面有关.图1(G)和(H)为HGM和PHGM的SEM照片, 可见, 未经过改性的HGM表面比较光滑, 而PHGM表面相对粗糙, 且有颗粒状的嵌入式凸起, 表明玻璃微珠表面成功附着上聚多巴胺.
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.
为了探讨改性前后HGM的加入对材料力学性能的影响, 通过拉伸试验对其力学性能进行了测试. 图2(A)示出了PCL/TPU, PCL/TPU/HGM和PCL/TPU/PHGM的应力-应变曲线, 图2(B)~(D)和表1示出了不同含量HGM和PHGM复合材料的拉伸性能. 从图2(B)可以看出, 随着HGM和PHGM含量的增加, 复合材料的杨氏模量也增加, 且PCL/TPU/PHGM复合材料的杨氏模量始终高于相同HGM质量分数的PCL/TPU/HGM复合材料. 这是由于HGM作为一种无机填料, 本身具有很高的刚性, 经过改性后的PHGM表面具有大量—NH—和—OH, 可以与材料基体中的PCL和TPU产生很强的分子间作用力[29~32]. 当PHGM的含量为3%时, 材料具有最高的拉伸强度(53.3 MPa)[图2(C)], 而当PHGM的含量上升至5%时, 材料的拉伸强度下降, 这可能与PHGM在材料基体内发生轻微聚集有关. 由图2(D)可以看出, 随着HGM和PHGM的加入, 材料的断裂伸长率也随之下降. 力学性能数据结果表明, PDA改性的PHGM可以更好地增强复合材料的力学性能. 可能由于PDA中富含的—OH和—NH—可与基体材料PCL中的羟基、 羰基和TPU中的氨基、 羰基产生氢键作用力, 增强了填料与基体材料之间界面结合力, 使得PHGM在PCL/TPU基体中的分散性优于HGM, 材料力学性能得以提升[6,33].
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/PHGM
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.
Table 1 Mechanical properties of PCL/TPU, PCL /TPU/HGM and PCL/TPU/PHGM composites
HGM和PHGM在聚合物基体中的分布影响复合材料的力学性能. 使用扫描电子显微镜对复合材料PCL/TPU/1HGM, PCL/TPU/3HGM, PCL/TPU/5HGM, PCL/TPU/1PHGM, PCL/TPU/3PHGM和PCL/TPU/5PHGM的截面进行了观察(图3). 图3(A)为PCL/TPU/1HGM断裂面的SEM照片. 可以看出, 当HGM含量少的时候, 玻璃微珠零散地分布在聚合物基体中. 由PCL/TPU/3HGM和PCL/TPU/5HGM的断裂面SEM照片[图3(B)和(C)]可以看出, HGM明显聚集在聚合物基体中, 这是由于HGM表面缺乏官能团, 并且具有较强的疏水性, 在复合材料中难以分散. PCL/TPU/PHGM具有与PCL/TPU/HGM不同的表面微结构[图3(D)~(F)], PHGM在复合材料基体中分散性更好, 没有明显的聚集现象. 当PHGM的含量为3%时[图3(E)], PHGM均匀分布在聚合物基体中. 当PHGM的含量达5%时[图3(F)], 也没有出现明显的聚集现象. 结果表明, PHGM在复合材料中具有比HGM更好的分散性, 这与力学性能结果一致, 是由于PDA中丰富的—OH和—NH—增强了PHGM与材料基体界面间的相互作用[31~35].
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)
图4(A)为材料的DSC二次升温曲线.由图4(A)可知, PCL/TPU/PHGM的熔点(m, ℃)相对于 PCL/TPU/HGM向较高温度方向偏移, 可能是因为PHGM与聚合物基体分子链之间的氢键限制了聚合物链的运动[31,36]. 通过热重分析仪分别测试了PCL/TPU, PCL/TPU/HGM和PCL/TPU/PHGM复合材料的热稳定性[图4(B)]. 从图4和表2可以看出, PCL/TPU/PHGM在5%失重时的温度(5%, ℃)明显高于具有相同HGM质量分数的PCL/TPU/HGM复合材料的, 表明PHGM提高了复合材料的热稳定性. 当温度达到700 ℃时, 复合材料的残碳量增加, PCL/TPU/PHGM复合材料的残碳量始终高于相同HGM质量分数的PCL/TPU/HGM复合材料. 这些结果进一步表明, 经过PDA改性的HGM可以提高复合材料的热稳定性. 从DSC和TGA的结果可以看出, 复合材料m的提升和热稳定性[材料的最大分解温度(max, ℃)]的提升都得益于PDA涂层增强了HGM与PCL/TPU之间的界面相互作用[37].
Table 2 Thermal properties of PCL /TPU, PCL/TPU/HGM and PCL/TPU/PHGM composites
Fig.4 Second heating segment curves of DSC(A) and TGA curves(B) of PCL/TPU, PCL/TPU/HGM and PCL/TPU/PHGM composites
f和r是评估SMPS形状记忆性能的两个重要的参数.使用带热箱的拉伸机评估了PCL/TPU, PCL/TPU/HGM, PCL/TPU/PHGM热响应形状记忆性能, 图5(A)和(B)显示了PCL/TPU/HGM和PCL/TPU/PHGM的热响应形状记忆过程. 从图5(C)和(D)可以看出, HGM和PHGM的加入使材料的f略有增加, 这可能是由于HGM和PHGM的加入增大了PCL相的结晶度, 从而提升了复合材料的f. 复合材料的r略低于共混物PCL/TPU的r, 原因是HGM和PHGM颗粒在材料的形状回复过程中阻碍了分子链的运动. PCL/TPU/PHGM的r略高于相同HGM质量分数的PCL/TPU/HGM的, 这是由于经过改性的PHGM的界面作用力大于HGM, 有利于材料形状回复率的提升[37]. 图5(E)为PCL/TPU/PHGM的热响应形状记忆机理示意图. 当温度升高到材料的转变温度以后, 材料中的PCL相由结晶态转变为熔融态, 此时分子链可以在外力的作用下随意移动; 当温度降低到材料的转变温度以下时, PCL相由熔融态转变为结晶态, 此时撤去外力, 材料的临时形状得到固定. 当温度再次升高到转变温度以上时, PCL相由结晶态转变为熔融态, 材料在内驱力的作用下回复到初始形状.
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.
聚多巴胺具有很强的光热效应, 可以作为形状记忆聚合物的光热填料, 赋予材料光响应形状记忆性能[6,7,38,39]. 使用光强为900 mV/cm2的近红外光测试PCL/TPU/HGM和PCL/TPU/PHGM的光热效应及光响应形状记忆性能. 从图6(A)可以看出, PCL/TPU/HGM共混物的温度随着光照时间的延长变化很小, 并且在红外光照射1 min后温度才升至33 ℃左右, 远远低于材料的转变温度, 表明PCL/TPU/HGM复合材料没有光热效应. 而PCL/TPU/PHGM复合材料的温度在相同条件下迅速升高并且在10 s内升温到转变温度以上, 同时随着PHGM含量的增多, 样品的升温速率加快, 说明PHGM的加入赋予了材料光热效应.
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)
为了测试材料的光响应形状记忆性能, 使用摄像机记录了材料的形状回复过程. 从图6(B)可以看出, PCL/TPU/HGM复合材料随着光照时间的延长形状并没有发生变化, 而PCL/TPU/PHGM复合材料的形状开始恢复, 随着PHGM含量的增加, 材料的回复时间变短, PCL/TPU/5PHGM在照射7 s内便回复到初始形状, 而PCL/TPU/1PHGM在11 s内才回复到初始形状. 结果表明, 所制备的PCL/TPU/PHGM具有光致形状记忆性能. 图6(C)为近红外光触发PCL/TPU/PHGM形状回复的示意图. 经过改性制备的PHGM分散在聚合物基体中, 起到吸光和能量转换的作用, 在近红外光的照射下, PHGM会在短时间内产生大量的热量, 使作为固定相的PCL从结晶态变为熔融态, 在内驱力的作用下回复到初始形状.
采用聚多巴胺改性的玻璃微珠(PHGM)与PCL/TPU制得了一种具有光、 热双响应的形状记忆复合材料. 聚多巴胺改性后的玻璃微珠可均匀分散在基体中, 并有效提高了复合材料的力学性能. 同时, PHGM的加入还赋予了复合材料光响应形状记忆性能, 材料在近红外光的照射下7 s内即可完成形状回复过程, 在软机器人、 智能包装、 智能生物医学设备、 航空航天等领域具备应用潜力.
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Preparation and Properties of Novel Optical and Thermal Dual Response Shape Memory Polymers
YUPengdong1,2, GUANXinghua2*, WANGDongdong2,3, XINZhirong1*, SHIQiang2,3, YINJinghua2
(,,264005,;,,,130022,;,230026,)
Glass microsphere was modified by the surfacepolymerization 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).
Polydopamine; Glass microsphere; Shape memory composites; Photothermal effect
O631
A
10.7503/cjcu20220085
2022-02-12
2021-03-20.
关兴华, 男, 博士, 特别研究助理, 主要从事高分子材料改性研究. E⁃mail: guanxinghua@ciac.ac.cn
辛志荣, 女, 博士, 教授, 主要从事先进高分子材料研究. E-mail: xinzhirong2012@126.com
国家自然科学基金(批准号: 52061135202, 51573186, 21807097)、 国家重点研发计划项目(批准号: 2018YFE0121400)、 吉林省科学基金(批准号: 20190701030GH)和山东省自然科学基金(批准号: ZR2019MEM008)资助.
Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.52061135202, 51573186, 21807097), the National Key Research and Development Program of China(No.2018YFE0121400), the Science Foundation of Jilin Province, China(No.20190701030GH) and the Natural Science Foundation of Shandong Province, China(No.ZR2019MEM008).
(Ed.: W, K, M)