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濕度響應(yīng)性褶皺圖案的多花樣“妙用”

來源: X-MOL 2017-06-09 13:14:11

褶皺（表面起皺）作為一種簡便的表面圖案化技術(shù)，近年來成為人們的研究熱點。將光、熱、濕氣等刺激響應(yīng)性組分引入褶皺體系，能夠賦予體系表面圖案的動態(tài)響應(yīng)性，使得該類智能褶皺圖案在傳感、微流控、信息存儲等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。表面起皺體系是由模量較低的彈性基底和表面附著的高模量硬層構(gòu)成。在日常生活中，人們的皮膚可以看做是一種典型的表面起皺體系；皮膚在水中長時間浸泡后會產(chǎn)生褶皺，而干燥后褶皺又會可逆消失。

受此啟發(fā)，近日美國康涅狄格大學(xué)的孫陸逸（Luyi Sun）教授研究團隊，以親水的聚乙烯醇（PVA）薄膜為硬層、以疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）為彈性基底，通過表面PVA膜的交聯(lián)改性處理，制備了三種不同的濕度響應(yīng)性PDMS/PVA表面起皺體系；系統(tǒng)的研究了不同褶皺圖案其濕氣響應(yīng)性及調(diào)控，并利用有限元計算對其響應(yīng)模式進行了模擬分析。

三種不同響應(yīng)性PDMS/PVA表面起皺體系的構(gòu)筑。圖片來源：Adv. Mater.

基于表面PVA膜的親水特性，當對體系表面施加水汽時PVA膜會產(chǎn)生溶脹，從而對PDMS/PVA產(chǎn)生壓縮應(yīng)力；當該壓縮應(yīng)力超過體系的臨界壓縮應(yīng)力時，體系表面失穩(wěn)產(chǎn)生皺紋形貌。當表面PVA膜處于未交聯(lián)狀態(tài)時，PDMS/PVA體系一次起皺/消皺循環(huán)后，由于PVA分子鏈結(jié)構(gòu)松弛和結(jié)晶度變化，使得再次溶脹產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力低于體系臨界起皺壓縮應(yīng)力，使得體系褶皺結(jié)構(gòu)不可再生；而當PVA處于均勻交聯(lián)狀態(tài)時，則會保證PVA膜的物性穩(wěn)定，實現(xiàn)褶皺形貌的可逆再生。同時，由于表面皺紋形貌的光折射和漫反射作用，PDMS/PVA體系起皺前后光透過率發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生體系宏觀透明度的變化。而對PVA進行區(qū)域性交聯(lián)處理后，其溶脹起皺只發(fā)生在未交聯(lián)區(qū)域，從而形成局部可逆的宏觀圖案化，因此可用作防偽標記。如下圖h所示，哈一口氣，材料就會顯現(xiàn)出預(yù)設(shè)的文字（或圖案），再過一會兒，文字（或圖案）又會自己消失。

PDMS/PVA體系起皺原理分析、模擬及局部圖案化。圖片來源：Adv. Mater.

此外，膜/基體系表面皺紋形貌狀態(tài)跟體系材料的物性密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)PVA的交聯(lián)程度/梯度，能夠?qū)崿F(xiàn)體系表面褶皺形貌及對水汽響應(yīng)性的精確調(diào)控。同時，具有交聯(lián)梯度PDMS/PVA體系，施加水汽時其底層的PVA和PDMS基底，給表層PVA施加壓縮力，導(dǎo)致褶皺產(chǎn)生；而干燥時，整個PVA膜的干燥過程較長，使得頂層PVA先干燥并固定、穩(wěn)定表面褶皺形貌。這種穩(wěn)定的PDMS/PVA褶皺結(jié)構(gòu)在光漫射器、防反光膜和電路防水標記等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

PDMS/PVA表面褶皺形貌、水汽響應(yīng)性調(diào)節(jié)及電路防水標記應(yīng)用。圖片來源：Adv. Mater.

——總結(jié)——

該研究基于傳統(tǒng)商業(yè)化高分子材料PVA的不同交聯(lián)改性處理，構(gòu)筑了三種不同的濕度響應(yīng)性表面起皺體系。對PDMS/PVA軟硬復(fù)合體系表面防皺、可控起皺以及皺紋形貌的應(yīng)用拓展進行了系統(tǒng)的研究。同時，該PDMS/PVA智能表面起皺體系在防偽標記、涉密信息存儲、電路板/食品防水貼紙以及光學(xué)器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。該研究同時也為其他智能響應(yīng)性皺紋體系的設(shè)計和應(yīng)用探索提供了借鑒和思路。

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