摘 要：在眾多響應(yīng)性聚合物中(光、電、熱等)，力響應(yīng)性聚合物是近十年來興起的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。力響應(yīng)性聚合物是指聚合物受外界力作用時(shí)，能夠相應(yīng)的發(fā)生一系列化學(xué)或物理性質(zhì)的變化。制備力響應(yīng)聚合物的關(guān)鍵是利用這類力敏感的基團(tuán)。至今，已制備的力色團(tuán)有20余種，研究發(fā)現(xiàn)含力色團(tuán)的聚合物具有變色、發(fā)光、催化、釋放小分子等響應(yīng)性，是一種很有潛力的智能材料。本文簡要概述了力色團(tuán)的種類、機(jī)械力，重點(diǎn)闡述了力響應(yīng)性聚合物的應(yīng)用，最后對力色團(tuán)實(shí)際應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：力響應(yīng)性聚合物;力色團(tuán);機(jī)械力

　　一、前言

　　響應(yīng)性是自然界生物普遍存在的一種特性，例如：含羞草的刺激收縮;變色龍隨環(huán)境變化變色;向日葵向陽性等，這些都是生物根據(jù)環(huán)境刺激來調(diào)整自身生理活動的技能，科研工作者們受這些現(xiàn)象的啟發(fā)，設(shè)計(jì)并合成一系列響應(yīng)性功能聚合物[1-3]。

　　響應(yīng)性聚合物是一種對外界環(huán)境刺激做出響應(yīng)，能產(chǎn)生明顯的物理或化學(xué)變化，甚至突變的聚合物[4]。響應(yīng)性聚合物是將敏感性基團(tuán)引入到聚合物中，形成相應(yīng)的材料。目前響應(yīng)性聚合物根據(jù)外界刺激源的不同可大致分為光響應(yīng)性聚合物[5]、電響應(yīng)性聚合物[6]、熱響應(yīng)性聚合物[7]、化學(xué)試劑響應(yīng)性聚合物[8]、pH響應(yīng)性聚合物[9]及力響應(yīng)性聚合物[10]等。由于高分子材料在絕大部分應(yīng)用中都涉及到機(jī)械力作用，因此力響應(yīng)性聚合物的研究引起科研工作者廣泛的興趣[11-13]。

　　力響應(yīng)性聚合物是將力敏感基團(tuán)以共價(jià)鍵的形式引入到高分子鏈中，當(dāng)高分子鏈?zhǔn)芡饨珧?qū)動力時(shí)，力敏感基團(tuán)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，從而使聚合物發(fā)生物理或化學(xué)性質(zhì)的變化(包括顏色變化，催化作用，熒光，自修復(fù)等)，制備力響應(yīng)聚合物的關(guān)鍵是利用這類力敏感的基團(tuán)(也叫做力色團(tuán))。至今，已制備的力色團(tuán)有20余種，研究發(fā)現(xiàn)含力色團(tuán)的聚合物具有變色、發(fā)光、催化、釋放小分子等響應(yīng)性，是一種很有潛力的智能材料。

　　本文簡要概述了力色團(tuán)的種類、機(jī)械力，重點(diǎn)闡述了力響應(yīng)性聚合物的應(yīng)用，最后對力色團(tuán)實(shí)際應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

　　二、力色團(tuán)

　　力色團(tuán)是指高分子鏈中間連接力敏感的功能性單元(可以是基團(tuán)，也可以是化學(xué)鍵)，在機(jī)械力作用時(shí)功能性單元能發(fā)生特定的化學(xué)轉(zhuǎn)化(活化)。自從1980年Encina等人[14]將過氧鍵引入到高分子鏈(聚乙烯基吡咯)中，發(fā)現(xiàn)聚合物分子鏈斷裂速率提高了10倍。至今已有20余種力色團(tuán)被發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，大致可分為五類[15]：第一類：金屬配位鍵斷裂，是指金屬和配體之間的鍵發(fā)生斷裂，如金屬配體(鈀配體，銅配體，銀配體)等[16-19];第二類：電開環(huán)，是指成環(huán)的力色團(tuán)在機(jī)械力作用下環(huán)上的某個(gè)鍵發(fā)生斷裂，如螺吡喃[20-23]，羅丹明[24]，苯并環(huán)丁烯[25]，環(huán)丙烷鹵代物[26]，環(huán)氧化合物[27]等;第三類：均裂，是指從中間斷裂出兩個(gè)相同的基團(tuán)或單元，如雙硫鍵[28]，過氧鍵[29]，偶氮化合物(釋放出氮?dú)?[30]等;第四類：彎曲活化釋放小分子，是指在機(jī)械力作用下，力色團(tuán)的鍵角發(fā)生彎曲使鍵發(fā)生斷裂，如DA加成物[15，31，32]等;第五類：逆環(huán)化，指成環(huán)的力色團(tuán)在機(jī)械力作用時(shí)發(fā)生環(huán)的斷裂，如1，2-二惡丁烷[33]，環(huán)丁烷衍生物[34]，DA加成物[35]，1，2，3-三唑環(huán)[36]，肉桂酸酯二聚體[37]等。

　　三、機(jī)械力

　　能夠誘導(dǎo)力響應(yīng)性聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)械力有多種，在響應(yīng)性聚合物領(lǐng)域常用的機(jī)械力有拉伸[38]、壓縮[39]、超聲力[40]和單分子力譜[41]這幾類。其中超聲是作用于聚合物溶液的，拉伸和壓縮是對聚合物本體施加的，單分子力譜則是對聚合物單個(gè)分子實(shí)施的技術(shù)手段。近年來超聲和單分子力譜逐漸被應(yīng)用開來。

　　1.超聲

　　超聲波是一種頻率高于 20 kHz 的聲波。超聲波應(yīng)用非常廣泛，可以測距、清洗、測速、消毒和碎石等。超聲處理的介質(zhì)主要是溶液，有超聲波浴和超聲探頭兩種方法：超聲波浴是將裝有待處理溶液的容器直接置于超聲浴中;而超聲探頭則是將探頭直接置于待處理溶液中進(jìn)行超聲的(力響應(yīng)性聚合物主要采取的方式)[41]。

　　早在20世紀(jì)30年代超聲波便用于聚合物的降解[42]。目前比較普遍公認(rèn)的機(jī)理是超聲產(chǎn)生的空化作用(圖2)，在溶液中，高能量的聲波產(chǎn)生膨脹或壓縮，分子之間的距離增大產(chǎn)生氣泡，這些氣泡逐漸變大，并快速破裂，存在于氣泡附近的溶劑分子則由于負(fù)壓形成強(qiáng)有力的拉伸流場，氣泡進(jìn)一步地膨脹，到一定程度后突然塌縮[43]。如圖3所示，含螺吡喃聚合物溶液超聲力致變色響應(yīng)性[44]。

　　2.拉伸

　　拉伸基本都是對聚合物本體材料實(shí)施的一種機(jī)械力[43]，但也可以對含溶劑的材料(比如凝膠)[45]。拉伸儀的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)需求調(diào)整相關(guān)參數(shù)，缺點(diǎn)是制樣需統(tǒng)一的形狀和規(guī)格，而且需要的材料樣品較多[13]。如圖4所示，含螺吡喃聚合物拉伸變色響應(yīng)性[20]。

　　3.壓縮

　　壓縮也是一種作用于聚合物本體的機(jī)械力。不同于拉伸，壓縮對材料的形狀規(guī)格要求不高，消耗也比較小。目前常用的壓縮儀器有壓力槽、液壓機(jī)、壓力機(jī)及自制壓力機(jī)，壓力范圍在 0.1 MPa～300 GPa。如圖5所示，含螺吡喃力色團(tuán)聚合物的壓縮變色響應(yīng)性[31]。

　　4.單分子力譜

　　單分子力譜是研究高分子體系中的分子內(nèi)與分子間的相互作用的一種新型納米尺度的表征技術(shù)。開始時(shí)，這種技術(shù)主要用來研究DNA大分子[46]、天然高分子[47]、超分子[48]在外力作用時(shí)的穩(wěn)定性，隨后在高分子界面吸附、力誘導(dǎo)下的構(gòu)象轉(zhuǎn)變、聚合物單鏈的力學(xué)性質(zhì)等方面也有一定的研究[49，50]。如圖6所示，含螺吡喃聚合物的單分子力譜測試[51]。

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