唐本忠院士/港科大杨晶磊教授/深大韩婷等：利用AIEgen负载的多功能微胶囊实现高分子材料的损伤 - 自修复全过程动态可视化监控

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高分子材料作为现代社会的重要支撑材料之一，在我们的日常生活中发挥着极为重要的作用。为了满足大多数工程应用的要求，高分子材料被设计和制造得尽可能坚固。然而，在长期的使用过程中，高分子材料不可避免地会发生机械损伤，损伤往往从微裂纹开始，进而发展成宏观裂缝，最终导致聚合物发生毁灭性的破坏。因此，研究聚合物早期损伤的可视化检测并实时追踪其自修复过程和程度具有重要的学术价值和工业意义，可以极大地延长高分子材料的使用寿命，提高其使用安全性。虽然目前已有兼具自预警和自修复双功能的聚合物材料，但是能原位、实时、动态地可视化监测聚合物损伤-自修复全过程的体系仍鲜有报道。

近日，唐本忠院士团队深圳大学AIE研究中心韩婷助理教授与香港科技大学杨晶磊教授合作，将具有分子内电荷转移（TICT）效应的聚集诱导发光分子（TICT-type AIEgen）与微胶囊技术结合，利用TICT-type AIEgen在受限作用增强或者环境极性降低时，发光颜色会蓝移、发光强度会增加的特殊性质（图1a），开发了一种基于新型多功能微胶囊体系的智能高分子材料。该工作的设计原理如下：通过将含有TICT-type AIEgen的六亚甲基二异氰酸酯（HDI）微胶囊分散于聚合物涂层中，当所得聚合物涂层发生机械损伤时，裂纹会破坏微胶囊使其芯材流出，由于HDI能够自发地与水汽反应生成聚脲（PU），新生成的PU聚合物会填充并修复损伤位置。同时，由于液态HDI发生反应生成固态PU的过程中，TICT-type AIEgen的受限程度和微环境极性会发生改变，因此可以利用其发光颜色蓝移和发光强度增强的双信号指示，实现对聚合物涂层损伤-自修复全过程的原位、灵敏、实时、动态的可视化监控（图1b）。

图1. 可视化监测聚合物损伤-自修复全过程的设计原理

研究人员以TPE-BMO（一种典型的TICT-type AIEgen）为例，利用时间依赖的荧光发射光谱和自制的自动荧光拍照设备对TPE-BMO/HDI溶液与水反应过程的发光变化进行了跟踪表征，并对荧光照片进行了DIC数值化处理。如图2所示，实验结果表明反应过程中TPE-BMO的发光信号变化可分为三个阶段，发光颜色从黄色先出现微小的红移，然后快速蓝移，最后呈现稳定的蓝色；发光强度先是稍微下降，然后迅速增强，最终趋于稳定。作者通过DFT理论模拟计算对该现象进行了具体解释，阐明了TPE-BMO的荧光性质与其受限程度、微环境极性变化之间的关系。

图2. TPE-BMO/HDI溶液与水反应过程的发光信号变化

基于上述预实验和机理结果，研究人员进一步制备了TPE-BMO/HDI微胶囊，并探究了其在聚合物涂层中的应用。值得一提地是，为了增强完整微胶囊和损伤微胶囊的信号对比度，作者制备了一种多层聚多巴胺/聚脲（4PDA/PU）的微胶囊壳材（图3），该壳材具有优异的光屏蔽效果，完整的微胶囊不发光，只有损伤破坏的微胶囊才会发光并有荧光信号变化。图3. TPE-BMO/HDI微胶囊的制备及表征通过将这种微胶囊分散于聚合物涂层中，所得到的含有微胶囊的聚合物涂层在完整状态下不发光，当发生机械损伤时，损伤位置会发出弱黄色荧光，随着自修复时间增加，颜色会逐渐从弱黄色变成黄绿色，最终变成亮蓝色（图4a）。通过与传统的扫描电镜（SEM）表征方式对比证明：该方法从损伤位置的发光颜色和强度即可简单地获知其自修复程度（图4b）。对于防水涂层应用，机械损伤会破坏涂层的防水功能，但是自修复完全的涂层又可以重新获得防水功能。因此，从损伤位置的发光信号也可以获知防水涂层的防水能力（图4c-d）。图4. 含有微胶囊涂层的损伤-自修复全过程修复及评估修复程度和防水性实验结果得益于4PDA/PU微胶囊良好的光屏蔽性，所制得的含有微胶囊的聚合物涂层同样具有优异的遮光能力，对紫外-可见光全光谱的透光率低于3%，因此该涂层能够有效保护光敏物质（图5）。更进一步地研究表明：这种兼具损伤-自修复可视化监控、自修复防水、光屏蔽功能的聚合物涂层在包装领域上具有重要潜在应用，可以应用于对光和水汽敏感的重要物品（如电子芯片等）的储存包装当中。

图5. 含有微胶囊的聚合物涂层的光屏蔽效应及潜在应用展示

该工作已发表在Journal of Materials Chemistry A 上，文章题目为“Visualization and monitoring of dynamic damaging-healing processes of polymers by AIEgen-loaded multifunctional microcapsules”，第一作者为陈树生博士，共同通讯作者为深圳大学AIE研究中心韩婷助理教授、香港科技大学杨晶磊教授和香港中文大学（深圳）唐本忠院士。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D2TA02918A

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