一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料。该高分子复合材料具有双层结构，所述双层结构包括荧光自修复聚合物基体层、紫外遮蔽层；所述荧光自修复聚合物基体层厚度至少为10μm，所述紫外遮蔽层厚度为0.1～8μm；所述荧光自修复聚合物基体层由自修复聚合物基体和荧光添加剂组成，荧光添加剂的比例按重量百分比计为0.001％～50％；所述紫外遮蔽层由脆性高分子和紫外线屏蔽剂组成，所述紫外线屏蔽剂的比例按重量百分比计为1％～99％。本发明专利技术高分子复合材料表现出随应变增大荧光强度逐渐增强的力致变色效应，并且在破损时可通过加热实现同一位置的多次重复自修复，恢复力学性能和力致变色性能。

A kind of polymer composite with two functions of force induced discoloration and self repair and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料制备领域，主要涉及一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法。
技术介绍
在复杂的环境中，无处不在的机械力往往对材料造成不可逆转的损伤。开发具有机械力响应性的多功能自适应材料具有重要意义。近年来，能够在机械刺激下发生光学性能改变的力致变色材料备受瞩目，这种性能使得力致变色材料在损伤监测、信息加密和柔性显示等领域具有广泛的潜在应用价值。自修复材料则具有自动修复受损部位，恢复材料结构完整及机械性能的特定。将力致变色功能与自修复功能集成到一个体系中，开发具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料对增强材料自适应性、延长材料寿命及节约能源具有重大意义。迄今为止，大部分力致变色材料的构筑方法是将具有机械力响应性的力色团通过化学键连接到高分子骨架中，合成方法复杂且力致变色灵敏度较低。相对而言，通过特殊的结构设计构筑的力致变色高分子复合材料则具有制备简便、受力前后变色明显等优势。SongshanZeng等利用应变诱导的裂纹和折叠构筑了具有高力致变色灵敏度的复合材料(NatureCommunications,2016,7,11802)，但是该方法制得的材料性能仍比较单一，近能够实现机械力的指示，无法修复机械损伤。近期，YanSong等利用多级次氢键相互作用合成了一系列超韧性自修复聚合物(CN109982193A)，这种自修复聚合物含有大量一重、二重和四重氢键，使材料能够在较低温度下实现较好的自修复。然而，这种自修复聚合物并不具备机械力监测功能，无法实现机械力的感知及早期损伤的预警。因此，研发出同时具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料存在重大需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种新型的具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法。本专利技术原理为：以荧光添加剂作为荧光物质，在紫外光下，通过不同应变下紫外遮蔽层上裂纹的扩张和闭合调节荧光显露面积的大小，从而实现荧光强度随机械力的变化。此外，材料破损时，可通过荧光自修复层中的超分子相互作用实现材料的自修复。本专利技术提供的具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料，其中，所述高分子复合材料具有双层结构，所述双层结构为荧光自修复聚合物层和紫外遮蔽层，其中，所述荧光自修复聚合物基体层位于紫外遮蔽层之下。作为优选，所述荧光自修复聚合物基体层厚度至少为10μm；所述紫外遮蔽层厚度为0.1～8μm。进一步优选，所述荧光自修复聚合物基体层厚度为300～500μm；所述紫外遮蔽层厚度为1～4μm。作为优选，所述荧光自修复聚合物基体层由自修复聚合物和荧光添加剂组成，荧光添加剂的比例占荧光自修复聚合物层重量百分比的0.001％～50％，进一步优选为0.05～0.5％；所述紫外遮蔽层由脆性高分子和紫外线屏蔽剂组成，紫外线屏蔽剂的比例占紫外遮蔽层重量百分比的1～99％，进一步优选为40～80％。作为优选，所述自修复聚合物为具有超分子相互作用的聚合物弹性体，所述超分子相互作用包括氢键相互作用、金属-配体相互作用和主客体相互作用中的一种或两种以上。作为优选，所述的自修复聚合物为聚氨酯、聚苯乙烯、聚烯烃和聚酰胺中的一种或两种以上。作为优选，所述荧光添加剂包括罗丹明-B、罗丹明-6G、四乙基罗丹明、四甲基异硫氰酸罗丹明、荧光素、9,10-双(4-甲氧基苯基)-2-氯蒽、异硫氰酸荧光素和藻红蛋白和镧系螯合物中的一种或两种以上。作为优选，所述脆性高分子包括聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙中的一种或两种以上。作为优选，所述紫外线屏蔽剂包括二氧化钛、氧化锌、高岭土、滑石粉和氧化铁中的一种或两种以上。本专利技术通过分步制备荧光自修复聚合物层和紫外遮蔽层，后经加热复合得到，所得产品具有明显的双层结构。紫外遮蔽层可有效遮蔽紫外线，控制荧光的显示与熄灭，下层含有超分子相互作用，赋予材料自修复功能。本专利技术所述方法及其提供的实施实例中，主要通过控制紫外遮蔽层中紫外线屏蔽剂的含量和紫外遮蔽层的厚度，以实现对材料力致变色性能的调控。本专利技术提供的一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料的制备方法，包括下列步骤：步骤S-1：将自修复聚合物与荧光添加剂混合均匀，形成膜A；步骤S-2：将脆性高分子与紫外线屏蔽剂混合均匀，喷涂于基板上形成膜B；步骤S-3：将膜A放置于膜B上，加热复合后从基板上揭下，得到所述具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料其中，加热时间至少为0.1h，加热温度为至少为20℃；与本专利技术操作步骤相对应，本专利技术还具有如下特征：步骤S-1中所述自修复聚合物含有超分子相互作用，包括氢键相互作用、离子键相互作用、金属-配体作用和主客体相互作用中的一种或几种；步骤S-1中所述自修复聚合物为聚氨酯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚酰胺中的一种或几种；步骤S-1中所述荧光添加剂的比例占荧光自修复聚合物层重量百分比的0.001％～50％，优选为0.05～0.5％；步骤S-2中所述的紫外线屏蔽剂的比例占紫外遮蔽层重量百分比的1～99％，优选为40～80％；步骤S-2中所述的紫外线屏蔽剂为二氧化钛、氧化锌、高岭土、滑石粉和氧化铁中的一种或几种；步骤S-2中所述；脆性高分子包括聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙中的一种或几种；步骤S-3中加热时间至少为0.1h，加热温度至少为20℃；优选加热时间为6～24h，优选加热温度为55～70℃；依据如上技术要点，本专利技术能够制备具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料，其具有双层结构，包括荧光自修复聚合物层、紫外遮蔽层，其中荧光自修复聚合物层厚度至少为10μm，紫外遮蔽层厚度为0.1～8μm。本专利技术的有益成果：本专利技术提供的材料是一种新型的具有力致变色和自修复双功能的含有荧光自修复聚合物层和紫外遮蔽层的高分子复合材料。这种高分子复合材料在不受外力时在紫外光下几乎没有肉眼可见的荧光，然而在拉伸状态下，这种高分子复合材料呈现出明显的荧光，从而表现出力致变色效应。此外，这种高分子复合材料在受损断裂时可通过低温加热修复破损部位，恢复材料的完整性。修复后的样品与原始样品的力学性能几乎一致，且可拉伸。因此，这种高分子复合材料能够监测机械刺激并修复机械损伤，能够有效增强材料自适应性，延长材料寿命、节约资源，并在机械力传感、信息加密等领域具有潜在应用。附图说明图1为本专利技术高分子复合材料的截面扫描电镜图；图2为本专利技术在254nm紫外光照射下，原始状态下无荧光，拉伸后显示荧光的照片；图3为本专利技术在日光灯下断裂后的状态、修复后的状态及修复后拉伸状态下的照片。具体实施方式实施例1：将4g自修复聚氨酯溶于60mL三氯甲烷中，加入0.5mL荧光添加剂罗丹明B的乙醇溶液(0.01g/mL)，搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料，其特征在于，所述高分子复合材料具有双层结构；所述双层结构包括荧光自修复聚合物基体层和紫外遮蔽层，其中，所述荧光自修复聚合物基体层位于紫外遮蔽层之下。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料，其特征在于，所述高分子复合材料具有双层结构；所述双层结构包括荧光自修复聚合物基体层和紫外遮蔽层，其中，所述荧光自修复聚合物基体层位于紫外遮蔽层之下。


2.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述荧光自修复聚合物基体层厚度至少为10μm；所述紫外遮蔽层厚度为0.1～8μm。


3.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述荧光自修复聚合物基体层由自修复聚合物和荧光添加剂组成，荧光添加剂的比例占荧光自修复聚合物层重量百分比的0.001％～50％。


4.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其特征在于，所述紫外遮蔽层由脆性高分子和紫外线屏蔽剂组成，紫外线屏蔽剂的比例占紫外遮蔽层重量百分比的1～99％。


5.根据权利要求3所述的高分子复合材料，其特征在于，所述荧光自修复聚合物为具有超分子相互作用的聚合物弹性体，所述超分子相互作用包括氢键相互作用、金属-配体相互作用和主客体相互作用中的一种或两种以上。


6.根据权利要求3所述的高分子复合材料，其特征在于，所述荧光自修复聚合物为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国良，宋晓珂，齐涛，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11