光感型“智能”聚合物的基本原理与分类

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.01.008

石油化工高等学校学报 ›› 2022, Vol. 35 ›› Issue (1): 48-55.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2022.01.008

光感型“智能”聚合物的基本原理与分类

梁加璐¹(), 马志民¹, 宋雨方², 郑文帅¹, 卢汇嘉¹, 王晓蓉¹()

^1.辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001
^2.江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122

收稿日期:2020-06-30 修回日期:2021-12-15 出版日期:2022-02-28 发布日期:2022-04-14
通讯作者: 王晓蓉
作者简介:梁加璐（1997⁃），男，硕士研究生，从事弹性体的设计、制备与表征等研究；E⁃mail：jialu_liang@163.com。
基金资助:
辽宁省教育厅优青培育项目(L2020032);辽宁石油化工大学引进人才科研启动基金项目(2016XJJ?010);四川大学高分子材料工程国家重点实验室开放课题(sklpme2019?4?24);江南大学合成与生物胶体教育部重点实验室开放研究课题(JDSJ2018?05)

Basic Principle and Classification of Light⁃Sensitive "Smart" Polymers

Jialu Liang¹(), Zhimin Ma¹, Yufang Song², Wenshuai Zheng¹, Huijia Lu¹, Xiaorong Wang¹()

^1.School of Petrochemical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.School of Chemistry and Materials Engineering，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China

Received:2020-06-30 Revised:2021-12-15 Published:2022-02-28 Online:2022-04-14
Contact: Xiaorong Wang

摘要/Abstract

摘要：

形状记忆聚合物（SMP）和可自修复聚合物（SHP）作为“智能”聚合物的代表，成为了本领域最具有活力的研究方向，其中光感型SMP与SHP 受到了工业界与学术界的广泛关注。综述了光感型SMP和SHP的基本原理，并通过近年来最重要并有代表性的文献报道，对该类型聚合物按照可逆光化学反应型SMP、光热型SMP、光致二聚化反应型SHP、光致交联反应型SHP以及双功能型SMP/SHP进行分类。

关键词: 光, 形状记忆聚合物, 可自修复聚合物, 智能聚合物

Abstract:

Shape memory polymer (SMP) and self?healing polymer (SHP) as the representative of "smart" polymers have become the most dynamic research direction in this field,among which photosensitive SMP and SHP have been received wide attentions by industry and academia.This paper reviews the basic principles of photosensitive SMP and SHP, and classifies this type of polymers into reversible photochemical reaction SMP,photothermal SMP,photodimerization reaction SHP,photocrosslinking reaction SHP,and bifunctional SMP/SHP by referencing the most important and representative literature reports in recent years.

Key words: Photon, Shape?memory polymer, Self?healing polymer, Smart polymer

中图分类号:

TQ311

梁加璐, 马志民, 宋雨方, 郑文帅, 卢汇嘉, 王晓蓉. 光感型“智能”聚合物的基本原理与分类[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(1): 48-55.

Jialu Liang, Zhimin Ma, Yufang Song, Wenshuai Zheng, Huijia Lu, Xiaorong Wang. Basic Principle and Classification of Light⁃Sensitive "Smart" Polymers[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(1): 48-55.

图/表 7

图1 光感型SMP和SHP示意图

Fig.1 Schematic diagram of the photosensitive SMP and SHP

图2 光响应性多嵌段聚酯氨基甲酸酯的光诱导[2+2]环加成反应和形状记忆效应（a）环加成反应（b）形状记忆效应

Fig.2 Light?induced [2 + 2] cycloaddition reaction and shape memory effect of the photoresponsive multi?block polyester urethane

图3 香豆素基光交联星型PCL在365 nm下交联，在265 nm下解交联

Fig.3 The coumarin?based photocrosslinked star?type PCL is crosslinked at 365 nm and uncrosslinked at 265 nm

图4 光照射TiN?PCL复合材料5 min前后的形状变化图像

Fig.4 Image of shape change before and after 5 min of light irradiation of the TiN PCL composite

图5 折叠PU/BP薄膜的NIR光触发形状记忆行为

Fig.5 Shape memory behaviors of PU/BP films triggered by NIR light

图6 在穿过水柱的655 nm光下的形状记忆过程

Fig.6 A shape memory process at 655 nm light passing through a water column

图 7 在317 nm和254 nm紫外光照射下聚碳酸酯中香豆素可逆光二聚化和裂解反应示意图

Fig.7 Schematic diagram of the reversible photodimerization and cleavage reactions of coumarin in polycarbonate under 317 nm and 254 nm UV light irradiation

参考文献 39

1	Habault D， Zhang H， Zhao Y. Light⁃triggered self⁃healing and shape⁃memory polymers［J］. Chemical Society Reviews， 2013， 42（17）： 7244⁃7256.
2	Zhang H. Matériaux Polymères À mémoire de forme et autoréparables contrôlés par la lumière via un effet photothermique［D］. Sherbrooke （Canada）： Université de Sherbrooke， 2014.
3	Meng H， Li G. Reversible switching transitions of stimuli⁃responsive shape changing polymers［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2013， 1（27）： 7838⁃7865.
4	王刚，史新妍. 聚合物形状记忆材料的研究进展［J］. 高分子通报， 2016（6）：23⁃30.
	Wang G， Shi X Y. The research progress of shape memory polymers ［J］. Polymer Bulletin， 2016（6）：23⁃30.
5	Liu C， Qin H， Mather P T. Review of progress in shape⁃memory polymers［J］. Journal of Materials Chemistry， 2007， 17（16）： 1543⁃1558.
6	Meng H， Li G. A review of stimuli⁃responsive shape memory polymer composites［J］. Polymer， 2013， 54（9）： 2199⁃2221.
7	Ratna D， Karger⁃Kocsis J. Recent advances in shape memory polymers and composites： A review［J］. Journal of Materials Science， 2008， 43（1）： 254⁃269.
8	Kumpfer J R， Rowan S J. Thermo⁃， photo⁃， and chemo⁃responsive shape⁃memory properties from photo⁃cross⁃linked metallo⁃supramolecular polymers［J］. Journal of the American Chemical Society， 2011， 133（32）： 12866⁃12874.
9	Li G， Fei G， Xia H， et al. Spatial and temporal control of shape memory polymers and simultaneous drug release using high intensity focused ultrasound［J］. Journal of Materials Chemistry， 2012， 22（16）： 7692⁃7696.
10	Ma M， Guo L， Anderson D G， et al. Bio⁃inspired polymer composite actuator and generator driven by water gradients［J］. Science， 2013， 339（6116）： 186⁃189.
11	Fiore G L， Rowan S J， Weder C. Optically healable polymers［J］. Chemical Society Reviews， 2013， 42（17）： 7278⁃7288.
12	Liu F， Li F， Deng G， et al. Rheological images of dynamic covalent polymer networks and mechanisms behind mechanical and self⁃healing properties［J］. Macromolecules， 2012， 45（3）： 1636⁃1645.
13	Zhang Y， Yang B， Zhang X， et al. A magnetic self⁃healing hydrogel［J］. Chemical Communications， 2012， 48（74）： 9305⁃9307.
14	Sun T L， Kurokawa T， Kuroda S， et al. Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity［J］. Nature Materials， 2013， 12（10）： 932.
15	Wei Z， Yang J H， Zhou J， et al. Self⁃healing gels based on constitutional dynamic chemistry and their potential applications［J］. Chemical Society Reviews， 2014， 43（23）： 8114⁃8131.
16	Cheng C， Bai X， Zhang X， et al. Self⁃healing polymers based on a photo⁃active reversible addition⁃fragmentation chain transfer （RAFT） agent［J］. Journal of Polymer Research， 2015， 22（4）： 46.
17	Sodhi J S， Rao I J. Modeling the mechanics of light activated shape memory polymers［J］. International Journal of Engineering Science， 2010， 48（11）： 1576⁃1589.
18	Liu Y， Boyles J K， Genzer J， et al. Self⁃folding of polymer sheets using local light absorption［J］. Soft Matter， 2012， 8（6）： 1764⁃1769.
19	Zhang H， Xia H， Zhao Y. Optically triggered and spatially controllable shape⁃memory polymer–gold nanoparticle composite materials［J］. Journal of Materials Chemistry， 2012， 22（3）： 845⁃849.
20	Wu L， Jin C， Sun X. Synthesis， properties， and light⁃induced shape memory effect of multiblock polyesterurethanes containing biodegradable segments and pendant cinnamamide groups［J］. Biomacromolecules， 2010， 12（1）： 235⁃241.
21	Defize T， Thomassin J M， Ottevaere H， et al. Photo⁃cross⁃linkable coumarin⁃based poly （ε⁃caprolactone） for light⁃controlled design and reconfiguration of shape⁃memory polymer networks［J］. Macromolecules， 2018， 52（2）： 444⁃456.
22	Ishii S， Uto K， Niiyama E， et al. Hybridizing poly （ε⁃caprolactone） and plasmonic titanium nitride nanoparticles for broadband photoresponsive shape memory films［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2016， 8（8）： 5634⁃5640.
23	Leng J， Wu X， Liu Y. Infrared light⁃active shape memory polymer filled with nanocarbon particles［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2009， 114（4）： 2455⁃2460.
24	Liang J， Xu Y， Huang Y， et al. Infrared⁃triggered actuators from graphene⁃based nanocomposites［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2009， 113（22）： 9921⁃9927.
25	Xie H， Shao J， Ma Y， et al. Biodegradable near⁃infrared⁃photoresponsive shape memory implants based on black phosphorus nanofillers［J］. Biomaterials， 2018：S0142961218301340.
26	Yang L， Tong R， Wang Z， et al. Polydopamine particle⁃filled shape⁃memory polyurethane composites with fast near⁃infrared light responsibility［J］. Chem.Phys.Chem.， 2018， 19（16）： 2052⁃2057.
27	Qian W， Song Y， Shi D， et al. Photothermal⁃triggered shape memory polymer prepared by cross⁃linking porphyrin⁃loaded micellar particles［J］. Materials， 2019， 12（3）： 496.
28	钱网秋，赵三笑，王金金，等. 红光响应性PSDM⁃MTPP形状记忆水凝胶的制备与性能［J］.辽宁石油化工大学学报， 2019， 39（1）： 25⁃30.
	Qian W Q， Zhao S X， Wang J J， et al. Preparation and properties of red light⁃responsive PSDM⁃MTPP shape memory hydrogel［J］. Journal of Liaoning Shihua University， 2019， 39（1）：25⁃30.
29	Chen Y， Kushner A M， Williams G A， et al. Multiphase design of autonomic self⁃healing thermoplastic elastomers［J］. Nature Chemistry， 2012， 4（6）： 467.
30	Sun T L， Kurokawa T， Kuroda S， et al. Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity［J］. Nature Materials， 2013， 12（10）： 932.
31	Xu Y， Wu Q， Sun Y， et al. Three⁃dimensional self⁃assembly of graphene oxide and DNA into multifunctional hydrogels［J］. ACS Nano， 2010， 4（12）： 7358⁃7362.
32	Wei Z， He J， Liang T， et al. Autonomous self⁃healing of poly （acrylic acid） hydrogels induced by the migration of ferric ions［J］. Polymer Chemistry， 2013， 4（17）： 4601⁃4605.
33	Appel E A， Biedermann F， Rauwald U， et al. Supramolecular cross⁃linked networks via host⁃ guest complexation with cucurbit ［8］ uril［J］. Journal of the American Chemical Society， 2010， 132（40）： 14251⁃14260.
34	Shafiq Z， Cui J， Pastor⁃Pérez L， et al. Bioinspired underwater bonding and debonding on demand［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2012， 51（18）： 4332⁃4335.
35	Tuncaboylu D C， Sari M， Oppermann W， et al. Tough and self⁃healing hydrogels formed via hydrophobic interactions［J］. Macromolecules， 2011， 44（12）： 4997⁃5005.
36	高菲，曹建诚，刘敬成，等. 光触发自修复聚合物研究进展［J］. 影像科学与光化学， 2017， 35（1）： 34⁃45.
	Gao F， Cao J C， Liu J C， et al. Research progress of the light⁃triggered self⁃healing polymers［J］. Imaging Science and Photochemistry， 2017， 35（1）： 34⁃45.
37	Chesterman J P， Hughes T C， Amsden B G. Reversibly photo⁃crosslinkable aliphatic polycarbonates functionalized with coumarin［J］. European Polymer Journal， 2018， 105：186⁃193.
38	Zhang H， Zhao Y. Polymerswith dual light⁃triggered functions of shape memory and healing usinggold nanoparticles［J］. Acs Appl Mater Interfaces， 2013， 5（24）：13069⁃13075.
39	Li T， Li Y， Wang X， et al. Thermally and near⁃infrared light⁃induced shape memory polymers capable of healing mechanical damage and fatigued shape memory function［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（9）： 9470⁃9477.

[1]	王嘉曼, 熊靖, 师金鸽, 韦岳长, 霍开玲. TiO₂催化剂催化CO₂还原的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(4): 1-11.
[2]	李哲, 王芳芳, 陈常东. 一步水热法合成Mn₃O₄/CuMnO₂及其光芬顿反应性能的研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(3): 73-80.
[3]	杨文科, 卢连雪, 李鹏, 张健, 胡绍争. 光催化材料石墨相氮化碳的合成、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(1): 43-51.
[4]	田晓然, 季程程, 曹利星, 喻倩, 孔宪明. 纤维素复合材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(1): 74-80.
[5]	宁尧, 刘满, 刘素燕. 多孔碳BVO/Zn@ZPC的制备及其光降解性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 36-47.
[6]	杨志远, 邹怡, 王金刚. 转角双层石墨烯纳米片单、双光子吸收特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 73-82.
[7]	罗奥, 张晓琳, 孙娜, 王海彦, 王钰佳. 提高石蜡产品光安定性技术研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 24-30.
[8]	陈基鹏, 杨阳佳子, 李鹏, 张健, 胡绍争. 石墨相氮化碳的制备、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 45-51.
[9]	王佳乐, 武宏大, 韩乔, 杨占旭. 钼基量子点制备的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 52-59.
[10]	赵鹤鸣, 陈丽萍, 魏奇, 于龙娇, 杨健松, 石富强, 王世伟. 钙钛矿光伏电池封装材料的制备与性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 67-72.
[11]	丁卓玉, 谭依凡, 周坤, 季久玉. 磷钼酸根和金属/氢⁃氧⁃三苯基膦单元构筑的杂化材料[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(4): 47-52.
[12]	关磊, 陈贤, 范博文, 陈雅旭, 尹鹏鹏, 王莹. Tb配合物的水热合成、晶体结构及荧光性质[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(3): 60-65.
[13]	齐敏, 高栋梁, 赵帅, 乔旭, 崔咪芬, 费兆阳. 等离子体辅助制备的Co₃O₄光催化甲苯净化性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(2): 42-50.
[14]	余志超, 汤振国, 张楠, 崔泽岳, 胡林河, 李刚. CdS量子点修饰TiO₂纳米管及光解水产氢性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(4): 38-45.
[15]	张若男, 何仕婕, 王晓蓉, 王芳芳, 陈常东. BaTiO₃⁃TiO₂复合体的软化学制备及其性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(4): 46-51.

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