[发明专利]一种高灵敏度力致变色复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高灵敏度力致变色复合材料及其制备方法，所述复合材料中掺杂有对力敏感的小分子化合物。该小分子化合物是将硼酸酯基团和大π共轭荧光分子相结合，借助于分子之间弱的相互作用可以提高复合材料的力响应灵敏度。技术路线所需的成本低，将极大地推动其在仿生材料、光学存储、显示、力学传感等领域的实际应用。

技术领域

本发明涉及有机智能材料领域，具体涉及一种高灵敏度力致变色复合材料及其制备方法。

背景技术

智能材料的发展和广泛应用使得人们对功能性有机材料的需求日益迫切。利用外界刺激能够有效地调控该类材料的各项性能指标，从而能够实现各种功能。刺激源为pH、化学、电以及温度的智能响应性荧光材料相比已有诸多报道，而以力为外界刺激源的力致变色材料的研究相对来说还处于发展阶段。它在调控材料性质方面具有许多独特的优点：易于施加，调控方便，操作简单等。因子在仿生材料、光学存储、显示、力学传感等很多领域具有极大的应用价值。

树脂基力致变色复合材料目前有两种制备方法。一种是化学法，即通过化学合成的方式将变色基团引入聚合物分子的主链中。材料在受力时会将感知到的应力传递到变色基团上。最典型的代表就是2009年由Sottos课题组报道的基于螺吡喃的力致变色聚合物材料(Nature，2009，459，68-72)。螺吡喃是一个非共轭的分子，因其中螺环C-O键的键能较弱在受外力作用时会被打断而异构化形成部花青素的结构，此时分子的共轭链重新形成而发出红色荧光。除了螺吡喃，其它已经报道的力致变色基团有螺噻喃(Angewandte ChemieInternational Edition,2016,55,3040-3044)，香豆素二聚体(Chem.Commun.,2015,51,9157-9160)，过氧化环丁烷等。但是这种方法需要经过繁琐的合成步骤，从实际应用的角度来说并不可取。另外一种方法是将具有力致变色性质的有机荧光染料掺杂到树脂基体中。有机荧光染料的力致变色行为强烈地依赖于机械刺激前后分子堆积结构的改变，而这些堆积结构的变化又和这些材料内部分子之间的非共价作用力的存在密不可分，比如说多重氢键、π-π作用力及供体-受体作用等。但是，目前此类材料在力响应灵敏度上还存在很大问题，复合材料的伸长率要达到1.5以上才能观察到比较明显的变色行为。主要原因在于掺杂于其中的小分子荧光染料的相互作用力仍然过强所致。因此，设计一类弱分子间相互作用力的变色染料分子并用其对树脂进行掺杂是一种切实可行的路线。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种能够提高力响应灵敏度的力致变色复合材料。4,4,5,5-四甲基-(1,3,2)-二氧杂硼烷(Bpin)取代的分子展现出丰富的同质多晶和共晶等晶体学行为，其中Bpin基团上大量σ电子和π电子之间的弱相互作用对这种现象的形成中发挥了关键作用，而大π共轭分子的荧光性质高度依赖于其微环境。因此，将硼酸酯基团和大π共轭荧光分子相结合，借助于此类分子之间弱的相互作用可以得到一类高力响应灵敏度的小分子力致变色材料。当被掺杂进树脂基体中时即可极大提高复合材料的力响应灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种高灵敏度力致变色复合材料，力致变色复合材料中至少含有如下小分子化合物中的一种或几种：

其中R₁表示

R₂表示H或

所述力致变色复合材料的基体材料为热塑性聚合物，所述小分子化合物在力致变色复合材料基体中的含量为0.02％-5％。

进一步的，所述的热塑性聚合物为聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)中的至少一种。