螺吡喃构筑单元修饰的一维皮芯结构纳米纤维的设计、制备及对湿度的光响应性研究

Because of global warming and inland location, the climates of some region of Inner Mongolia are extremely dry and the desert area tends to expand, which not only affect the health of local residents and ecological environment but also have a potential influence on the environment of surrounding city. Therefore, how to improve the dry environment and create a good ecological environment has become a hot research topic and exploring an effective new method and producing a new material to control the humidity is more and more important. Recently, photo-responsive materials which can provide remote, precise and contactless control have aroused significant research interest. In this project, a smart nanomaterial with sheath-core structure and photoresponsive tunable wettability is obtained by using spiropyran units modified on the surface of one-dimensional electrospun nanofibers; the effective preparation method of one-dimensional nanofibers modified by spiropyran units is established and the best preparation technics will be found out; the structure and performance change of these spiropyran complex and modified nanofiber-material under ultraviolet-visible light irradiation are investigated systemically and the photochromic reaction mechanism is also ascertained. And during the process of wettability change, the synergistic effect between photoisomerization of spiropyran chromophore and the dehydration of polar group on the surface of nanofibers will be explored; we analyze the control of the smart nanomaterial on humidity within a small space, which can provide a theoretical basis for the further application. This smart nanomaterial fully utilizes the solar energy and accordingly reduces the energy consumption, which has a very attractive prospect.

目前地处我国内陆的内蒙古地区局部地带气候干燥，沙漠面积趋于扩张化发展，这不仅影响着当地居民的身体健康和生态环境，也对周边城市的环境状态有潜在的威胁，导致如何改善干燥环境以创造良好生态环境成为了研究热点。因此开发一种有效的调控湿度的新方法和新材料具有重要的意义。近年，通过光触发的智能材料引起了人们极大的兴趣。本项目拟通过电纺丝法制备一维纳米纤维并用具有光响应性的螺吡喃单元在其表面进行改性，得到一种光诱导表面润湿性可调的皮芯结构纳米材料，建立该类纤维材料的有效制备方法，优化制备工艺参数；系统地考察螺吡喃构筑单元及其改性纤维材料在紫外-可见光照射下发生的结构和性能变化，明确其光致异构化机理，并探究润湿性变化过程中纤维表面极性基团与螺吡喃单元光致异构化性质之间的协同作用；研究材料对小范围内湿度的影响，为实现广泛调控空气湿度做好理论基础，同时充分利用太阳能，这种节能高效的方法具有非常诱人的发展前景。

环境湿度与人类生活息息相关，湿度过高或过低都会导致严重的健康问题。因此，改善环境微气候，创造适宜的居住环境并研发一种有效的调节周围环境湿度的智能材料迫在眉睫。本项目利用螺吡喃分子的光致异构化机理, 通过紫外-可见光交替照射，可逆地控制材料表面的润湿性,进而调节环境湿度。合成了多种螺吡喃衍生物,通过掺杂、共聚和改性等方式，结合静电纺丝技术，制备了多种调节湿度的膜材料。通过密度泛函理论分析可知螺吡喃分子吸水是放热过程，证明材料具有调节湿度的真实性。 .（1）制备了吲哚环上N原子处连有羟基的螺吡喃化合物（SP-OH），将其掺杂进PAN纤维膜。随着SP-OH掺杂量增大，调节湿度的范围越大。掺杂量为8%时基本达到最大值（7.0%~7.6%）。由于PAN的良好韧性，所制备材料具有很好的抗拉伸强度，最大值为2.21 Mpa。.（2）将吡喃环上连有氨基的螺吡喃衍生物接枝到共聚物上，制备了poly(SPAA-co-MMA)纤维膜。实验数据表明：材料对湿度的调节能力与材料表面粗糙度紧密相关，最大调节湿度值是4.8%~5.8%。.（3）将SP-OH接枝到共聚物上，制备了三种poly(SPA-co-MMA) 膜。用形貌分析、Cassie理论研究了三种膜的调节湿度能力。研究发现：材料对湿度的调节能力与材料的表面粗糙度和有效化学成分均有关。40% poly(SPA-co-MMA)材料的形貌是“串珠”型纤维，并且其调节湿度范围最大，为9.7%。.（4）合成了吲哚环上氮原子处连接不同碳链长度的环氧基团的螺吡喃化合物，并对表面含有氨基的纤维膜改性，制备了两种N-环氧基螺吡喃修饰的光诱导调节湿度的皮芯结构纳米纤维膜。这种制备方法在保证相同湿度调节范围的同时，明显地降低了螺吡喃分子的使用量，比 “掺杂”和“共聚”的方法节省了成本。研究发现，环氧基团链的长短对湿度调节能力有一定影响。.（5）将丙烯酰基螺吡喃（SPA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）和丙烯酸（AA）共聚，通过静电纺丝制备了一系列膜材料，通过改变MMA（疏水）和AA（亲水）的摩尔比来探究这类膜材料对湿度的调节能力。结果表明：丙烯酸的加入，有利于开环的螺吡喃与亲水基团的协同效应，从而增强调节湿度能力。