[发明专利]一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料。该高分子复合材料具有双层结构，所述双层结构包括荧光自修复聚合物基体层、紫外遮蔽层；所述荧光自修复聚合物基体层厚度至少为10μm，所述紫外遮蔽层厚度为0.1～8μm；所述荧光自修复聚合物基体层由自修复聚合物基体和荧光添加剂组成，荧光添加剂的比例按重量百分比计为0.001％～50％；所述紫外遮蔽层由脆性高分子和紫外线屏蔽剂组成，所述紫外线屏蔽剂的比例按重量百分比计为1％～99％。本发明高分子复合材料表现出随应变增大荧光强度逐渐增强的力致变色效应，并且在破损时可通过加热实现同一位置的多次重复自修复，恢复力学性能和力致变色性能。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，主要涉及一种具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法。

背景技术

在复杂的环境中，无处不在的机械力往往对材料造成不可逆转的损伤。开发具有机械力响应性的多功能自适应材料具有重要意义。近年来，能够在机械刺激下发生光学性能改变的力致变色材料备受瞩目，这种性能使得力致变色材料在损伤监测、信息加密和柔性显示等领域具有广泛的潜在应用价值。自修复材料则具有自动修复受损部位，恢复材料结构完整及机械性能的特定。将力致变色功能与自修复功能集成到一个体系中，开发具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料对增强材料自适应性、延长材料寿命及节约能源具有重大意义。

迄今为止，大部分力致变色材料的构筑方法是将具有机械力响应性的力色团通过化学键连接到高分子骨架中，合成方法复杂且力致变色灵敏度较低。相对而言，通过特殊的结构设计构筑的力致变色高分子复合材料则具有制备简便、受力前后变色明显等优势。Songshan Zeng等利用应变诱导的裂纹和折叠构筑了具有高力致变色灵敏度的复合材料(Nature Communications,2016,7,11802)，但是该方法制得的材料性能仍比较单一，近能够实现机械力的指示，无法修复机械损伤。近期，Yan Song等利用多级次氢键相互作用合成了一系列超韧性自修复聚合物(CN109982193A)，这种自修复聚合物含有大量一重、二重和四重氢键，使材料能够在较低温度下实现较好的自修复。然而，这种自修复聚合物并不具备机械力监测功能，无法实现机械力的感知及早期损伤的预警。因此，研发出同时具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料存在重大需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料及其制备方法。

本发明原理为：以荧光添加剂作为荧光物质，在紫外光下，通过不同应变下紫外遮蔽层上裂纹的扩张和闭合调节荧光显露面积的大小，从而实现荧光强度随机械力的变化。此外，材料破损时，可通过荧光自修复层中的超分子相互作用实现材料的自修复。

本发明提供的具有力致变色和自修复双功能的高分子复合材料，其中，所述高分子复合材料具有双层结构，所述双层结构为荧光自修复聚合物层和紫外遮蔽层，其中，所述荧光自修复聚合物基体层位于紫外遮蔽层之下。

作为优选，所述荧光自修复聚合物基体层厚度至少为10μm；所述紫外遮蔽层厚度为0.1～8μm。

进一步优选，所述荧光自修复聚合物基体层厚度为300～500μm；所述紫外遮蔽层厚度为1～4μm。

作为优选，所述荧光自修复聚合物基体层由自修复聚合物和荧光添加剂组成，荧光添加剂的比例占荧光自修复聚合物层重量百分比的0.001％～50％，进一步优选为0.05～0.5％；所述紫外遮蔽层由脆性高分子和紫外线屏蔽剂组成，紫外线屏蔽剂的比例占紫外遮蔽层重量百分比的1～99％，进一步优选为40～80％。

作为优选，所述自修复聚合物为具有超分子相互作用的聚合物弹性体，所述超分子相互作用包括氢键相互作用、金属-配体相互作用和主客体相互作用中的一种或两种以上。

作为优选，所述的自修复聚合物为聚氨酯、聚苯乙烯、聚烯烃和聚酰胺中的一种或两种以上。