基于多重氢键作用的超分子组装体的光驱动性能研究

摘要

基于多重氢键作用的超分子组装是制备光驱动器的一种简单方式。偶氮苯作为一种光响应分子，常被引入到聚合物中制备超分子组装体。氢键不仅促进把偶氮苯的微观运动变为薄膜的宏观形变，而且确保了偶氮苯顺式构型的稳定性，同时可以控制薄膜形变速度和程度。因此，通过多重氢键交联的偶氮苯/聚合物是制备光驱动器件的理想材料。 偶氮苯取代基种类、位置和数量会影响偶氮苯分子的光吸收特性，如果偶氮苯对位是推拉电子结构时，偶氮苯π-π*吸收峰发生红移，顺式稳定性差。取代基是羧基时，如果位于间位，能够和溶剂形成分子间氢键；邻位羧基与N=N形成分子内氢键，能够提高顺式稳定性。 本文首先将自修复基元2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)接枝到聚丙烯酸(PAA)分子链上得到PAA-u，然后用重氮偶合法制备3,3’,5,5’-四羧基偶氮苯(t-Azo)。利用多重氢键作用制备了PAA-u/t-Azo复合体，并用滴涂法在紫外光照下得到自支撑的PAA-u/t-Azo薄膜。薄膜中顺式偶氮苯含量达到25%，并且有优异的光致异构化性能，100次循环测试没有衰减，半衰期长达120h。改变绿色光照的时间能得到弯曲角度不同(90o—170o)的形状，并在紫外光照射下恢复到原状，并能保持240h不发生变化。 基于薄膜的形变，制备了光驱动抓手。通过绿光和紫外光点光源的照射控制“手指”收放，实现对重物的抓取、提起和释放。抓手可以抓起自身重量五倍的物体，整个抓取过程能重复40次。薄膜多次弯曲回复过程会产生微裂纹，形变时的微小损伤，在绿色激光照射20s后基本消失。完全断裂的损伤，在绿色激光照射10min后，薄膜温度达到65oC，应力回复到原来的97%。PAA-u/t-Azo薄膜的修复性能优于现有的氢键自修复体系。 本文利用基于多重氢键作用的超分子组装体制备出了形变可控、稳定性好和快速修复的光驱动抓手，拓宽了多重氢键超分子组装体在光驱动器件上的应用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 超分子化学

1.2 超分子自组装

1.3 超分子作用力

1.3.1 氢键

1.3.2π-π堆积作用

1.3.3 金属配位键

1.3.4 静电作用

1.4 智能响应超分子组装体

1.4.1热响应超分子组装体

1.4.2光响应超分子组装体

1.4.3化学响应超分子组装体

1.5 偶氮苯

1.5.1 异构化机理

1.5.2 偶氮苯分类

1.5.3 偶氮苯的合成方法

1.6 氢键超分子偶氮苯聚合物

1.6.1 单一氢键超分子偶氮苯聚合物

1.6.2多重氢键超分子偶氮苯聚合物

1.7 高性能光致形变智能器件

1.7.1 光驱动捕蝇器

1.7.2 光驱动传送履带

1.7.3可见光驱动抓手

1.8 材料自修复功能介绍

1.8.1 自修复的方法

1.8.2 自修复机理

1.8.3 含UPy的四重氢键自修复体系

1.9本课题立题依据和研究内容

1.9.1 论文选题的目的与意义

1.9.2 本课题的主要研究内容

第2章 聚合物和偶氮苯分子合成及表征

2.1 引言

2.2 实验药品与仪器

2.2.1 实验原料与试剂

2.2.2 实验仪器

2.3 实验部分

2.3.1异氰酸根官能化的2-脲基-4[1H]-嘧啶酮（UPy-NCO）的合成

2.3.2 3,3,5,5’-四羧基偶氮苯（t-Azo）的合成

2.3.3 UPy功能化的聚丙烯酸（PAA-u）的合成

2.3.4 测试与表征

2.4 结果与讨论

2.4.1 UPy-NCO的结构表征

2.4.2 t-Azo的结构表征

2.4.3 PAA-u的表征

2.5 本章小结

第3章 PAA-u/t-Azo氢键超分子组装体的制备及其光驱动性能研究

3.1 引言

3.2 实验药品与仪器

3.2.1 实验原料与试剂

3.2.2 实验仪器

3.3 实验部分

3.3.1 PAA-u/t-Azo超分子组装体的制备

3.3.2 PAA-u/t-Azo薄膜的制备

3.3.3 测试与表征

3.4 结果与讨论

3.4.1 PAA-u/t-Azo薄膜中氢键的表征

3.4.2 PAA-u/t-Azo薄膜光致异构化性质分析

3.4.3 PAA-u/t-Azo薄膜顺式含量表征

3.4.4 PAA-u/t-Azo循环性能分析

3.4.5 PAA-u/t-Azo薄膜的光驱动性能

3.4.6 PAA-u/t-Azo薄膜的光驱动机理

3.4.7 PAA-u/t-Azo薄膜光照产生的驱动力大小分析

3.5 本章小结

第4章 基于PAA-u/t-Azo薄膜的智能器件的制备及自修复性能研究

4.1 引言

4.2 实验仪器

4.3 实验部分

4.3.1光驱动抓手的制备

4.3.2 测试与表征

4.4 结果与讨论

4.4.1 PAA-u/t-Azo薄膜抓手抓取重物表征

4.4.2抓手自修复性能表征

4.4.3抓手自修复机理

4.5本章小结

第5章 全文结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢