力响应性聚合物的研究进展

　　摘 要：在众多响应性聚合物中(光、电、热等)，力响应性聚合物是近十年来兴起的一个热点领域。力响应性聚合物是指聚合物受外界力作用时，能够相应的发生一系列化学或物理性质的变化。制备力响应聚合物的关键是利用这类力敏感的基团。至今，已制备的力色团有20余种，研究发现含力色团的聚合物具有变色、发光、催化、释放小分子等响应性，是一种很有潜力的智能材料。本文简要概述了力色团的种类、机械力，重点阐述了力响应性聚合物的应用，最后对力色团实际应用及未来发展趋势进行了展望。

　　关键词：力响应性聚合物;力色团;机械力

　　一、前言

　　响应性是自然界生物普遍存在的一种特性，例如：含羞草的刺激收缩;变色龙随环境变化变色;向日葵向阳性等，这些都是生物根据环境刺激来调整自身生理活动的技能，科研工作者们受这些现象的启发，设计并合成一系列响应性功能聚合物[1-3]。

　　响应性聚合物是一种对外界环境刺激做出响应，能产生明显的物理或化学变化，甚至突变的聚合物[4]。响应性聚合物是将敏感性基团引入到聚合物中，形成相应的材料。目前响应性聚合物根据外界刺激源的不同可大致分为光响应性聚合物[5]、电响应性聚合物[6]、热响应性聚合物[7]、化学试剂响应性聚合物[8]、pH响应性聚合物[9]及力响应性聚合物[10]等。由于高分子材料在绝大部分应用中都涉及到机械力作用，因此力响应性聚合物的研究引起科研工作者广泛的兴趣[11-13]。

　　力响应性聚合物是将力敏感基团以共价键的形式引入到高分子链中，当高分子链受外界驱动力时，力敏感基团发生结构变化，从而使聚合物发生物理或化学性质的变化(包括颜色变化，催化作用，荧光，自修复等)，制备力响应聚合物的关键是利用这类力敏感的基团(也叫做力色团)。至今，已制备的力色团有20余种，研究发现含力色团的聚合物具有变色、发光、催化、释放小分子等响应性，是一种很有潜力的智能材料。

　　本文简要概述了力色团的种类、机械力，重点阐述了力响应性聚合物的应用，最后对力色团实际应用及未来发展趋势进行了展望。

　　二、力色团

　　力色团是指高分子链中间连接力敏感的功能性单元(可以是基团，也可以是化学键)，在机械力作用时功能性单元能发生特定的化学转化(活化)。自从1980年Encina等人[14]将过氧键引入到高分子链(聚乙烯基吡咯)中，發现聚合物分子链断裂速率提高了10倍。至今已有20余种力色团被发现，如图1所示，大致可分为五类[15]：第一类：金属配位键断裂，是指金属和配体之间的键发生断裂，如金属配体(钯配体，铜配体，银配体)等[16-19];第二类：电开环，是指成环的力色团在机械力作用下环上的某个键发生断裂，如螺吡喃[20-23]，罗丹明[24]，苯并环丁烯[25]，环丙烷卤代物[26]，环氧化合物[27]等;第三类：均裂，是指从中间断裂出两个相同的基团或单元，如双硫键[28]，过氧键[29]，偶氮化合物(释放出氮气)[30]等;第四类：弯曲活化释放小分子，是指在机械力作用下，力色团的键角发生弯曲使键发生断裂，如DA加成物[15，31，32]等;第五类：逆环化，指成环的力色团在机械力作用时发生环的断裂，如1，2-二恶丁烷[33]，环丁烷衍生物[34]，DA加成物[35]，1，2，3-三唑环[36]，肉桂酸酯二聚体[37]等。

　　三、机械力

　　能够诱导力响应性聚合物发生化学反应的机械力有多种，在响应性聚合物领域常用的机械力有拉伸[38]、压缩[39]、超声力[40]和单分子力谱[41]这几类。其中超声是作用于聚合物溶液的，拉伸和压缩是对聚合物本体施加的，单分子力谱则是对聚合物单个分子实施的技术手段。近年来超声和单分子力谱逐渐被应用开来。

　　1.超声

　　超声波是一种频率高于 20 kHz 的声波。超声波应用非常广泛，可以测距、清洗、测速、消毒和碎石等。超声处理的介质主要是溶液，有超声波浴和超声探头两种方法：超声波浴是将装有待处理溶液的容器直接置于超声浴中;而超声探头则是将探头直接置于待处理溶液中进行超声的(力响应性聚合物主要采取的方式)[41]。

　　早在20世纪30年代超声波便用于聚合物的降解[42]。目前比较普遍公认的机理是超声产生的空化作用(图2)，在溶液中，高能量的声波产生膨胀或压缩，分子之间的距离增大产生气泡，这些气泡逐渐变大，并快速破裂，存在于气泡附近的溶剂分子则由于负压形成强有力的拉伸流场，气泡进一步地膨胀，到一定程度后突然塌缩[43]。如图3所示，含螺吡喃聚合物溶液超声力致变色响应性[44]。

　　2.拉伸

　　拉伸基本都是对聚合物本体材料实施的一种机械力[43]，但也可以对含溶剂的材料(比如凝胶)[45]。拉伸仪的优点是可实时监测，并根据需求调整相关参数，缺点是制样需统一的形状和规格，而且需要的材料样品较多[13]。如图4所示，含螺吡喃聚合物拉伸变色响应性[20]。

　　3.压缩

　　压缩也是一种作用于聚合物本体的机械力。不同于拉伸，压缩对材料的形状规格要求不高，消耗也比较小。目前常用的压缩仪器有压力槽、液压机、压力机及自制压力机，压力范围在 0.1 MPa～300 GPa。如图5所示，含螺吡喃力色团聚合物的压缩变色响应性[31]。

　　4.单分子力谱

　　单分子力谱是研究高分子体系中的分子内与分子间的相互作用的一种新型纳米尺度的表征技术。开始时，这种技术主要用来研究DNA大分子[46]、天然高分子[47]、超分子[48]在外力作用时的稳定性，随后在高分子界面吸附、力诱导下的构象转变、聚合物单链的力学性质等方面也有一定的研究[49，50]。如图6所示，含螺吡喃聚合物的单分子力谱测试[51]。

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文章名称： 力响应性聚合物的研究进展

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