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影响因子29.4!保圣质构仪助力相关研究人员在国际期刊上发表文章

点击次数:207 更新时间:2024-04-02


一、研究背景

羟丙基纤维素(HPC)是一种广泛可获得和生物相容的材料。它在水中自组装成胆甾相,可以展示出生动、金属感的结构色。尽管HPC是一种具有吸引力的响应性和低成本的光子材料,由于当其溶解时反射的颜色仅在可见光范围内(在水中50-70 wt%的HPC),干燥时导致蓝移到一个无色状态,这使得材料加工成膜或涂层变得复杂。此外,由于HPC对各类溶剂具有溶解性,这些材料的光子结构由于其高吸湿性和水溶性而与潮湿和液体环境不兼容,致使HPC衍生化材料无法在差的环境下维持材料完整性。如何解决高强度、韧性和生动反射颜色之间长期存在的困境,并伴随协同刺激反应,仍然是HPC材料面临的巨大挑战。为了克服这些问题,使用化学交联的方式固定HPC光子结构,实现在固体HPC中保留光子特征。同时,增加了材料在不同溶剂环境具备稳定性以及应用场景下的耐用性。化学交联后的HPC衍生化材料同时还具有良好的机械柔韧性,使其具备更高的应用潜力。

中科院化物所卿光焱研究员/武汉纺织大学张福生博士在《Advanced Materials》期刊(IF=29.4)上发表了题目为“Intense Left-handed Circularly Polarized Luminescence in Chiral Nematic Hydroxypropyl Cellulose Composite Films"的高水平论文。文章提出了羟丙基纤维素结合聚集诱导发光体共组装,构筑L-CPL的策略,获得了大glum(+0.51)和高Φ(55.8%)的手性荧光薄膜。此外,该薄膜还展现柔韧性、耐溶剂性、结构色可调性和多色L-CPL等综合特性,可以作为耐用性和多模式的光学防伪标识印刷在织物上,即使经过反复洗涤干燥,仍能保持光学稳定性,还可以作为手性光源,实现相反L-CPL/R-CPL诱导不对称光聚合反应。


二、实验方法

1.HPC圆偏振发光薄膜的制备

将20 g的羟丙基纤维素粉末分散在1000 ml去离子水中,添加80 ml甲基丙烯酸酐(MA)。以2 mL/min的速度向混合物中注入120 ml浓度为5 M的氢氧化钠溶液。得到乳白色胶体沉淀。冷冻干燥后得到甲基丙烯酸化羟丙基纤维素(HPC-MA)。将17.5 mg的2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮和17.5 mg N-(3-(苯基氨基)亚烯丙基)-4-溴苯胺盐酸盐固体粉末分散在3.2 g N,N–二甲基甲酰胺(DMF)中。然后分批加入6.8 gHPC-MA至前述DMF混合溶液中,得到HPC-MA含量为68wt%的HMP前驱液。在直径为5 cm的聚四氟乙烯(PTFE)基底上滴入1 mL前驱液,将带有前驱液的PTFE基底置于旋涂仪托台以60 r/min的速度旋转3分钟。前驱液均匀成膜后,将薄膜和聚四氟乙烯基底一起放入2 ℃冰箱中,避光静置15 min进行自组装。最后,使用功率为5 w、波长为365 nm的紫外光对薄膜进行5 min的光交联。室温下自然风干后即可得到结构色为红色的羟丙基纤维素圆偏振发光薄膜。

2.HPC薄膜拉伸性能测试

将薄膜样品切成宽度为4毫米,长度为40毫米的长条。在进行干膜测试之前,样品在40℃的温度下在真空干燥箱中干燥30分钟,以去除多余的水分。对于湿膜测试,薄膜样品在去离子水中浸泡30分钟以确保润湿薄膜。样品使用质构仪(TA.TOUCH,上海保圣)以拉伸速度为0.01 mm/s进行测试。显示的数据代表在相同组成的同一样品上进行的三次或更多次测量的平均值和标准偏差。


三、实验结果


1.机械性能分析

图(a)HMP−Br薄膜举重实验照片。(b)HMP−Br和聚(HPC-MA)(HM)薄膜拉伸应力-应变曲线的比较。(c)雷达图显示了HMP−Br和HM薄膜在潮湿或干燥条件下的密度、拉伸应力、拉伸应变、比拉伸应力,杨氏模量和韧性的比较。(d)比较HMP−Br、HMP−Bip、HMP−CF3和聚(HPC-MA)(HM)膜拉伸应力-应变曲线。

图a显示了矩形HMP−Br薄膜的弹性,该薄膜长40 mm,宽4 mm,厚度约250 μm,成功承受了500 g的重量,相当于其重量的1033倍。聚(HPC-MA)(HM)和HMP−Br薄膜的机械拉伸性能如图b所示。此外,HMP−Br膜在与PA-Br组分共组装后表现出强的韧性。这种增强在薄膜的极限强度(HMP−Br薄膜为17.5±3.4 MPa,HM薄膜为15.7±2.3 MPa)和应变(HMP–Br薄膜的7.8±2.1%,HM薄膜的6.9±1.3%)中表现得很明显。在HMP−Br薄膜在应力应变曲线中计算得到高达0.9 MJ/m3下的韧性,此外,还评估了润湿对HM和HMP−Br薄膜机械性能的影响,结果总结在图c中。尽管HMP材料表现出吸湿趋势,导致强度下降,但它们保持了结构完整性,并表现出更大的应变。这些优异的机械性能也延伸到HPC和其他PA衍生物的复合膜(图d)。这些研究证明了HMP薄膜体系具有优异的稳定性,即使在潮湿的环境中也能表现出优异的机械性能,为材料的耐用性提供了必要条件。


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