聚合物仿生材料的合成及刺激响应性体系的设计

摘要

本论文在Morpho蝴蝶翅膀的光子晶体结构基础上，制备了对温度响应的刺激响应性体系，探索了其合成、结构及响应性反应的相关机理，并进一步开发出适用于多种聚合物/蝴蝶翅膀体系的制备方法。自光子晶体概念被提出以来，一系列的结构的光子晶体被制备出来并在控制光路传输、传感和通讯装置的设计方面发挥了巨大作用，但是在实现光子晶体结构材料本身的智能化（即赋予该材料自身刺激响应特性）方面却一直是人们的巨大挑战。近年来，随之光子晶体结构生物材料的发现，以Morpho蝴蝶翅膀为代表，越来越多的研究者将目标放在蝴蝶翅膀的功能化方面。经历了长期的自然选择过程，蝴蝶翅膀本身的精细复杂结构已经超过了人们目前的微加工技术，因此师法自然对实现光子晶体结构材料的刺激响应性方面具有重要意义。本论文采用表面键合和聚合路线成功的蝴蝶翅膀表面均匀生长了对温度敏感的聚合物材料，并进一步研究了该复合体系对温度的响应性行为。同时，为了克服在蝴蝶翅膀表面生长聚合物种类的局限性，本论文也提出了均匀制备多种聚合物/蝴蝶翅膀复合体系的新方法。具体的研究内容和结果如下：
　　（1）聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）与蝴蝶翅膀协同制备温敏性光子晶体
　　以丙烯酸（AAc）为媒介，在交联剂作用下通过自由基引发聚合将其与 N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）共聚，同时借助羧基（COOH）与氨基化处理后蝴蝶翅膀含有的氨基（NH2）之间的键合作用，将交联型的聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）[P(NIPAm-co-AAc)]均匀生长在蝴蝶翅膀表面。利用P(NIPAm-co-AAc)对温度响应的性质调节蝴蝶翅膀本身的结构，实现翅膀本身光子晶体结构对温度的感应，从而在功能型聚合物和自然的光子晶体中构建了一种协同效应。实验结果表明，随着温度从25℃升高到40℃，翅膀表面反射光谱由465 nm减少到433 nm。这是由于P(NIPAm-co-AAc)随着温度变化发生的相转变引起其本身体积的变化（随着温度升高，聚合物由亲水性变为疏水性，内部溶胀水的流失导致其体积减小），聚合物体积的变化进而改变了翅膀内在的光子晶体结构，导致翅膀的反射光谱发生一系列可逆的变化。
　　（2）蝴蝶翅膀基有机复合材料的超临界流体协助制备
　　借助超临界二氧化碳的抗溶剂作用，将聚合物的二甲基甲酰胺溶液在超临界二氧化碳体系中析出并进一步借助高分子与功能化蝴蝶翅膀之间的弱相互作用，将聚合物均匀生长在蝴蝶翅膀表面。测试结果表明该方法适用于多种（包括没有特殊基团的）聚合物，且在整个过程中只涉及聚合物的溶解和析出。进一步分析具体实验条件对该体系制备结果的影响可知：（1）超临界二氧化碳在实验中起到决定性作用，依赖于它的抗溶剂作用，才能使聚合物从溶剂中析出，从而方便的制备聚合物复合材料；（2）蝴蝶翅膀的氨基化过程对本实验也有影响，需要借助翅膀表面所含的活跃氨基，对所生长聚合物起到引导作用，从而使其可以顺利的在翅膀表面析出；（3）聚合物溶液温度也在实验过程中发挥了重要角色，只有当聚合物溶液达到一定的温度，聚合物分子链才能在溶剂中完全散开，进而才能自由的进行析出沉积过程。达不到特定温度的聚合物溶液在实验中不能使目标聚合物在翅膀表面得到均匀沉积和生长，最终得到的产物会影响蝴蝶翅膀本身的光子晶体结构。该实验为人们提供了一种制备多种蝴蝶翅膀基有机复合材料的路径。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 仿生材料概述

1.2.1 精细结构生物材料

1.2.2 光子晶体

1.2.3 蝶翅的微观结构

1.2.4 蝶翅功能化研究

1.3 刺激响应性体系概述

1.3.1 刺激响应性聚合物

1.3.2 刺激响应体系的研究

1.4 课题研究内容

第二章 聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）与蝴蝶翅膀协同制备温敏性光子晶体

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂及仪器

2.2.2 测试设备

2.2.3 聚合物/闪蝶翅膀复合材料的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 复合材料制备结果及表征

2.3.1 复合材料温度响应性行为分析

2.4 本章小结

第三章 蝴蝶翅膀基有机复合材料的超临界流体协助制备

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂及仪器

3.2.2 测试设备

3.2.3 复合材料的超临界流体协助制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 PVDF/蝶翅体系

3.3.2 PEO/蝶翅体系

3.4 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历及硕士期间发表论文与科研成果

个人简历

硕士期间发表论文