郑州大学刘旭影教授团队AFM:光热触发自修复聚氨酯弹性体用于多功能热致变色荧光器件

研究人员通过系列表征验证了 PUM 弹性体的化学结构与组分相容性。他们采用预聚法合成 PUM，FTIR 光谱证实异氰酸酯基团完全反应，形成脲键网络；拉曼光谱在510 cm^-1 和640 cm^-1 处检测到二硫键特征峰，证实动态交联结构的成功构建。XPS 分析显示材料中存在 C、N、O、S、Mo 元素，Mo 3d 特征峰验证了 MoO₂的有效掺杂；元素分布均匀，未出现明显团聚，表明 MoO₂与聚氨酯基质具有良好相容性。这些表征共同证实，MoO₂与含动态键的聚氨酯网络实现了有效结合，为材料的光热性能与自修复功能奠定了结构基础。

研究人员系统表征了 PUM 弹性体的微观形貌、光学性能、热稳定性与力学性能。SEM-EDS 元素mapping显示 Mo 元素在聚氨酯基质中均匀分布，未出现宏观团聚；原子力显微镜图像揭示材料具有纳米级微相分离结构，表面粗糙度极低，展现出均匀光滑的形貌。光学透过率测试表明，随着 MoO₂掺杂量增加，材料在可见光区透过率逐渐降低，增强了光吸收能力；XRD 分析证实聚氨酯基质为非晶态，利于分子链迁移。热重分析显示材料初始分解温度高于 300 ℃，具有良好热稳定性；拉伸测试表明，最优配比的 PUM-2 弹性体韧性达 189.6 MJ/m³，拉伸强度 40.8 MPa，断裂伸长率 1225.5%，力学性能优于纯聚氨酯，体现了 MoO₂的物理增强作用。

研究人员深入探究了 PUM 弹性体的光热转换性能与循环稳定性。他们在模拟太阳光、808 nm 和 980 nm 近红外激光照射下，监测材料的温度变化，发现所有 PUM 样品均能快速升温，且温度随 MoO₂掺杂量、照射功率增加而显著提升，最高可达 188.4 ℃，远超自修复所需阈值。红外热成像直观呈现了材料在不同光源照射下的温度分布，证实光热转换的均匀性。加热 - 冷却循环测试表明，经过五次循环后，材料的光热转换曲线无明显变化，展现出优异的光热稳定性；计算得出 PUM-2 在 900 mW/cm² 功率下，808 nm 和 980 nm 激光对应的光热转换效率分别为 22.6% 和 24.4%，高效的光热转换能力为快速自修复提供了充足能量。

研究人员通过流变学测试、自修复实验与机理分析，阐明了 PUM 弹性体的自修复性能与机制。流变学测试显示，温度升高会加速分子链松弛与动态键交换，使材料从弹性主导转变为粘性主导，为自修复提供动力学条件；动态力学分析确定材料玻璃化转变温度约为20 ℃，利于常温附近的自修复行为。划痕修复实验表明，在 980 nm 激光照射下，PUM-2 表面划痕 2 分钟内即可完全消失；拉伸测试显示，修复 5 分钟后材料拉伸强度恢复率达 97.3%，断裂伸长率恢复至 1181.68%。机理分析证实，MoO₂吸收光能转化为热能，激活聚氨酯网络中氢键与二硫键的可逆解离与重组，促进分子链扩散与界面融合，实现高效自修复。

研究人员通过变温光谱与二维相关光谱分析，揭示了 PUM 弹性体中动态键的温度响应机制。变温 FTIR 光谱显示，随着温度升高，N-H 和 C=O 伸缩振动峰发生蓝移且强度减弱，表明氢键发生热解离；二维相关光谱分析确定了氢键解离的响应顺序，N-H 伸缩振动比 C=O 伸缩振动对温度更敏感。变温拉曼光谱显示，二硫键特征峰强度随温度升高逐渐降低，证实二硫键交换反应被激活。这些结果表明，温度升高可同步促进氢键解离与二硫键交换，两种动态键的协同作用加速了分子链迁移与网络重组，为材料的热激活自修复提供了分子层面的支撑。

研究人员热致变色荧光组分引入 PUM 体系，制备了 FPUM 并探索其在防伪领域的应用。他们首先表征了 LaNbO₄:1% Bi³⁺/0.5% Eu³⁺荧光粉的性能，其激发光谱在 306 nm 处有宽吸收带，发射光谱包含 Bi³⁺的蓝光与 Eu³⁺的特征红光，且荧光颜色随温度升高从粉白色变为橙红色，CIE 坐标发生明显偏移。将该荧光粉掺杂到 PUM 基质中，XPS 证实 Bi 元素成功引入，制备的 FPUM 在 980 nm 激光照射下，因光热效应触发荧光颜色可逆变化。团队通过丝网印刷技术将 FPUM 制成可设计的荧光图案，在 254 nm 紫外光与 980 nm 激光共同照射下，图案展现出动态荧光变色效果，且损伤后可通过激光照射实现自修复，为高级防伪与光学信息加密提供了实用方案。

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