新型刺激變色聚亞胺砜的制備及性能

摘要：物理?yè)诫s和共價(jià)連接小分子變色染料方法制備的刺激變色聚合物材料存在影響聚合物熱穩(wěn)定性或合成較為復(fù)雜的缺點(diǎn)。以對(duì)硝基苯磺酰氯和溴苯為原料制備4-溴-4'-氨基二苯砜，通過(guò)自聚合制備聚亞胺砜，4-溴-4'-氨基二苯砜和聚亞胺砜的產(chǎn)率分別為45% 和90%。利用紅外光譜儀和液體核磁共振儀對(duì)單體和聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、熱重分析儀和差示掃描量熱儀對(duì)聚亞胺砜的性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明：聚亞胺砜在外界環(huán)境變化時(shí)顏色會(huì)發(fā)生高對(duì)比度變化且具有可逆性。聚亞胺砜具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其5% 熱分解溫度（T5%）為463 ℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為245 ℃。制備的聚合物材料不需要加入小分子變色染料，本身便具備獨(dú)特的刺激變色響應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：聚亞胺砜 刺激變色響應(yīng) 耐熱聚合物 循環(huán)利用

中圖分類號(hào)：TQ323.7；O647.3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-8755（2024）03-0009-06

Preparation and Properties of Novel Stimuli-responsive

Color-changing Polyimine Sulfone

LUO Hong， MA Tengning， CHANG Guanjun

（School of Materials and Chemistry， Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010， Sichuan， China）

Abstract：" The stimuli-responsive color-changing polymer materials prepared by physical doping and covalently linking small molecule color-changing dyes have the disadvantages of affecting the thermal stability of the polymer or complicated synthesis. 4-bromo-4'-aminodiphenyl sulfone was prepared from p-nitrobenzenesulfonyl chloride and bromobenzene， and polyimine sulfone was prepared by self-polymerization. The 4-bromo-4' -aminodiphenyl sulfone and polyimine sulfone yields were 45% and 90%， respectively. The structures of monomer and polymer were characterized by the infrared spectrometer and liquid nuclear magnetic resonance spectrometer. The properties of polyimine sulfone were characterized by an ultraviolet-visible spectrophotometer， thermogravimetric analyzer， and differential scanning calorimeter. The results show that the color of polyimine sulfone will have high contrast change and reversibility when the external environment changes. Polyimine sulfone has excellent thermal stability. The 5% thermal decomposition temperature （T5%） and glass transition temperature （Tg） of polyimine sulfone are 463 ℃ and 245 ℃， respectively. The prepared polymer material does not need to add small molecule discoloration dyes and has a unique stimuli-responsive color-changing ability.

Keywords：" Polyimine sulfone; Stimuli-responsive color-changing; Heat resistant polymer; Recycling

刺激響應(yīng)材料被定義為能對(duì)電場(chǎng)、熱、光、溶劑等各種外部刺激作出相應(yīng)反應(yīng)的一種智能材料［1］。刺激響應(yīng)聚合物也被稱為智能聚合物，智能聚合物的響應(yīng)性可以是其固有的性質(zhì)，也可以是由于添加劑的存在（如在復(fù)合材料中）。由于智能聚合物能夠?qū)⑽⑿〉沫h(huán)境變化轉(zhuǎn)化為可量化的響應(yīng)變化，在藥物傳遞、傳感器、智能機(jī)器人和增材制造（3D打?。┑阮I(lǐng)域受到廣泛關(guān)注［2-5］。

能通過(guò)各種刺激的誘導(dǎo)而著色或變色的刺激變色材料，因其刺激變色現(xiàn)象在微觀和宏觀上都可以觀察到，是一種非常具有研究性和實(shí)用性的材料［6-8］。此類系統(tǒng)中的顏色變化通常是可逆的，并且可能會(huì)響應(yīng)適當(dāng)?shù)拇碳の锒趦煞N狀態(tài)之間進(jìn)行切換［9-12］。近年來(lái)，這種材料已被應(yīng)用到成像設(shè)備、智能紡織品、防偽等領(lǐng)域［13-15］。這類材料大部分都是通過(guò)兩種不同性質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的異構(gòu)化反應(yīng)誘導(dǎo)刺激顯示著色或變色［16］。

目前制備刺激變色聚合物的方法主要有兩種：（1）將小分子變色染料通過(guò)非共價(jià)嵌入的方式與聚合物基質(zhì)相結(jié)合［14，17-18］。相比聚合物，小分子染料的熱分解溫度一般偏低，所以通過(guò)這種方法制備的刺激變色聚合物材料的熱穩(wěn)定性可能會(huì)受到較大影響，導(dǎo)致其使用溫度范圍明顯下降［19］。（2）刺激反應(yīng)性發(fā)色團(tuán)與聚合物共價(jià)連接［20-22］。該方法已被證明能夠設(shè)計(jì)高效的聚合物變色系統(tǒng)，但具有一定的合成復(fù)雜性［23］。由此可見(jiàn)，目前大多數(shù)刺激變色聚合物材料存在熱穩(wěn)定性較差或合成相對(duì)復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此，筆者嘗試開(kāi)發(fā)一種合成簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、對(duì)比度高、可循環(huán)利用且熱穩(wěn)定性優(yōu)異的基于聚合物自身響應(yīng)外界刺激變化的刺激變色聚合物材料，為刺激變色聚合物材料的設(shè)計(jì)與制備提供新的思路。

鈀催化C-N交叉偶聯(lián)反應(yīng)能夠簡(jiǎn)單而有效地使穩(wěn)定的碳氮（CN）原子方便地連接在一起［24-26］，因此本工作選擇通過(guò)在三（二亞芐基丙酮）雙鈀（0）（Pd2（dba）3）和2，2'-雙-（二苯基膦）-1，1'-聯(lián)萘（BINAP）的鈀催化體系下縮聚制備聚亞胺砜（PIS），并利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)其刺激響應(yīng)效果進(jìn)行了表征和分析，利用熱重分析儀和差示掃描量熱儀對(duì)聚合物的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

對(duì)硝基苯磺酰氯（純度≥98%），上海阿拉丁生化科技有限公司；溴苯（純度≥98.5%）、九水合硫化鈉（Na2S·9H2O）（分析純）、升華硫（分析純）、N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）（分析純）、甲醇（分析純）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF），成都市科隆化工試劑廠；無(wú)水氯化鋁（分析純），麥克林生化科技公司；叔丁醇鈉（NaOt-Bu）（純度gt;98%），梯希愛(ài)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；三（二亞芐基丙酮）雙鈀（0）（Pd2（dba）3）（分析純），陜西開(kāi)達(dá)化工有限責(zé)任公司；2，2'-雙-（二苯基膦）-1，1'-聯(lián)萘（BINAP）（純度≥98%），北京百靈威科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

MR Hei-Tec型磁力攪拌器，德國(guó)HEIDOLPH公司；ME204E/02型電子天平，梅特勒-托利多儀器公司；DZF-6020AB型真空干燥箱，北京中興偉業(yè)儀器公司；Nicolet-5700型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó) Nicolet 公司；Bruker Avance 600型核磁共振儀（NMR），瑞士Bruker公司；UV-2600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本島津公司；TGA 2/SF/1100型熱重分析儀，梅特勒托利多科技有限公司；DSC 214型差示掃描量熱儀，德國(guó) Netzsch 公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 4-溴-4'-氨基二苯砜的制備

在50 mL 雙頸燒瓶中加入 3 g（13.5 mmol）對(duì)硝基苯磺酰氯、1.67 g（12.5 mmol）氯化鋁（AlCl3）和8 mL 溴苯，于室溫（25 ℃）下攪拌2 h 后，緩慢升溫至60 ℃，繼續(xù)反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液倒入冰水中攪拌（30 min），待析出固體（淡黃色）不再增加后，進(jìn)行抽濾，真空干燥（60 ℃，10 h），得到粗產(chǎn)品 4-溴-4'-硝基二苯砜（BNDPS），通過(guò)乙醇重結(jié)晶純化。在50 mL雙頸燒瓶中加入3.23 g（13.45 mmol）Na2S·9H2O，0.52 g（16.25 mmol）硫粉和25 mL 去離子水，加熱至90 ℃，待升華硫粉完全溶解后，制得過(guò)硫化鈉（Na2S2）溶液。在100 mL雙頸燒瓶中加入2.24 g BNDPS，再緩慢加入Na2S2溶液，升溫至 92 ℃ 反應(yīng) 2.5 h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾，通過(guò)水洗除去過(guò)量的Na2S2，真空干燥（60 ℃，10 h），得到粗產(chǎn)品，通過(guò)乙醇重結(jié)晶純化。4-溴-4'-氨基二苯砜（BADPS）合成路線如圖1所示，產(chǎn)率為45%。

1.3.2 PIS的制備

無(wú)水無(wú)氧、氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在50 mL 三頸燒瓶中依次加入8 mmol BADPS，12 mmol NaOt-Bu，0.04 mmol Pd2（dba）3，0.12 mmol BINAP，加入20 mL DMF。升溫至100 ℃ 預(yù)聚3 h，然后梯度升溫至130 ℃ 反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后將所得聚合物溶液倒入冰水中攪拌，析出棕色固體，經(jīng)抽濾、水洗后得到濾餅，在真空干燥箱中干燥濾餅。干燥結(jié)束后利用索氏提取裝置，使用甲醇抽提12 h，除去未反應(yīng)的小分子和雜質(zhì)，真空干燥后即可得到純凈的PIS。PIS的合成路線如圖2所示，產(chǎn)率為90%。

1.4 表征與測(cè)試

1.4.1 紅外光譜

采用傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet-5700型）測(cè)試單體及聚合物的紅外光譜。紅外光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1。待測(cè)樣品為固體，選用溴化鉀壓片法進(jìn)行測(cè)試。

1.4.2 核磁氫譜

采用核磁共振波譜儀（Bruker Avance 600型）對(duì)樣品的核磁氫譜（1H NMR）進(jìn)行測(cè)試，該波譜儀使用Avance Ⅲ TM超屏蔽磁體。以四甲基硅烷（TMS）作為內(nèi)標(biāo)，氘代DMSO、氘代氯仿作為溶劑，與5 mg左右的樣品在核磁管中充分混合，對(duì)試樣進(jìn)行核磁譜共振氫譜分析測(cè)試，得到樣品的核磁氫譜圖。

1.4.3 紫外-可見(jiàn)光譜測(cè)試

利用UV-2600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光譜測(cè)試。以DMF或DMAc為溶劑，配制適當(dāng)濃度的聚合物溶液，將液體樣品置于測(cè)試專用的石英比色皿中，再將比色皿放入樣品池，以空白溶劑作為背景進(jìn)行測(cè)試。

1.4.4 熱重測(cè)試

利用TGA 2/SF/1100型熱分析儀測(cè)試樣品的熱穩(wěn)定性。在熱分析儀中，氮?dú)鈿夥障乱?0 ℃/min的升溫速率從25 ℃ 升至800 ℃ 進(jìn)行熱重測(cè)試。具體測(cè)試步驟為：編輯測(cè)試程序，稱好所測(cè)樣品質(zhì)量，打開(kāi)熱分析儀爐體，將裝有樣品的坩堝放至傳感器上，隨后關(guān)閉爐體，開(kāi)始測(cè)量。測(cè)試結(jié)束后，降溫，打開(kāi)爐體，將樣品取出。

1.4.5 差示掃描量熱測(cè)試

利用DSC 214型差示掃描量熱儀測(cè)試聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。在氮?dú)鈿夥罩幸?0 ℃/min 的升溫速度從25 ℃ 升至300 ℃，再以相同的降溫速率降溫至室溫，循環(huán)兩次，以第二周期測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)。在測(cè)試過(guò)程中，首先確認(rèn)測(cè)量中需使用的吹掃氣。稱取所測(cè)樣品質(zhì)量，將裝有測(cè)試樣品的坩堝置于儀器加熱爐體內(nèi)，設(shè)置程序參數(shù)后，開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后得到DSC曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體及聚合物的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 BADPS的結(jié)構(gòu)表征

利用紅外光譜及核磁氫譜對(duì)BADPS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。BADPS的紅外光譜如圖3（a）所示。波數(shù)出現(xiàn)在3 478，3 384 cm-1 "左右的吸收峰歸屬于NH2 的特征峰；波數(shù)出現(xiàn)在1 589 cm-1 左右的吸收峰歸屬于苯環(huán)的特征峰；波數(shù)出現(xiàn)在1 294，1 149 cm-1 "左右的吸收峰歸屬于二芳基砜的伸縮振動(dòng)特征峰；波數(shù)出現(xiàn)在832 cm-1 左右的吸收峰歸屬于苯環(huán)對(duì)位取代的特征峰。圖3（b）為BADPS的 1H NMR 譜圖，δ為7.79×10-6～6.65×10-6 "的信號(hào)峰歸屬于苯環(huán)上1-4號(hào)位置的氫，δ=6.26×10-6 的信號(hào)峰歸屬于氨基上的氫。1H NMR（600 MHz，DMSO-d6）：δ=7.79×10-6（dd， J=7.74， 9.00 Hz， 4H），δ=7.57×10-6（d， J=8.44 Hz， 4H），δ=6.65×10-6（d， J=8.34 Hz， 2H），δ=6.26×10-6（s， 2H）。結(jié)合BADPS的紅外光譜和 1H NMR可以證明BADPS已成功制備。

2.1.2 PIS的結(jié)構(gòu)分析

利用紅外光譜及核磁氫譜對(duì)PIS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。如圖4（a）所示，波數(shù)出現(xiàn)在3 418 cm-1 左右的吸收峰歸屬于 NH 的伸縮振動(dòng)特征峰；波數(shù)出現(xiàn)在1 294，1 146 cm-1 左右的吸收峰歸屬于二芳基砜的伸縮振動(dòng)特征峰；波數(shù)出現(xiàn)在1 582 cm-1 左右的吸收峰歸屬于苯環(huán)的特征峰；波數(shù)出現(xiàn)在 822 cm-1 左右的吸收峰歸屬于苯環(huán)對(duì)位取代的特征峰。圖4（b）為PIS的 1H NMR譜圖，δ為7.77×10-6～7.26×10-6 的信號(hào)峰歸屬于苯環(huán)上的氫，δ=9.39×10-6 歸屬于 NH 上的氫。1H NMR（600 MHz，DMSO-d6）：δ=9.39×10-6（s， 1H），δ=7.77×10-6（d， J=8.40 Hz， 4H），δ=7.26×10-6（d， J=8.38 Hz， 4H）。結(jié)合紅外光譜和 1H NMR可以證明已成功制備PIS。

2.2 PIS的性能

2.2.1 PIS的刺激變色響應(yīng)

利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜對(duì)PIS在外界環(huán)境變化時(shí)發(fā)生的顏色變化進(jìn)行量化及探究。將PIS溶解在DMF后，在溶液中按比例加入NaOt-Bu（mPIS∶mNaOt-Bu=1∶10，1∶20和1∶30）。如圖5（a）所示，未加NaOt-Bu時(shí)，溶液的最大吸收峰波長(zhǎng)λmax=363 nm。隨著NaOt-Bu含量的增加，363 nm處的吸收峰逐漸減小，同時(shí)在長(zhǎng)波段出現(xiàn)新的吸收峰。mPIS∶mNaOt-Bu =1∶20時(shí)，溶液的最大吸收峰波長(zhǎng)λmax=456 nm；mPIS∶mNaOt-Bu=1∶30時(shí)，溶液的最大吸收峰波長(zhǎng)λmax=484 nm，隨后最大吸收峰波長(zhǎng)不再發(fā)生變化。如圖5（b）所示，由于環(huán)境因素引起的結(jié)構(gòu)變化會(huì)使PIS溶液迅速產(chǎn)生從無(wú)色透明到黃色的色階變化（3 s內(nèi)）。

為驗(yàn)證PIS溶液的刺激變色響應(yīng)具有可逆性，記錄在PIS溶液中多次加入NaOt-Bu，CF3COOH連續(xù)循環(huán)的紫外光譜。如圖5（c）所示，在溶液中加入NaOt-Bu后，363 nm處的紫外最大吸收峰迅速降低，并且紅移至484 nm左右。同時(shí)，溶液的顏色由無(wú)色透明迅速變?yōu)槊鼽S色。然而，在加入CF3COOH后，紫外最大吸收峰波長(zhǎng)會(huì)恢復(fù)至363 nm左右，溶液顏色迅速恢復(fù)。該過(guò)程可循環(huán)執(zhí)行至少10個(gè)周期（圖5（d））。

2.2.2 PIS的熱穩(wěn)定性

通過(guò)TGA和DSC研究PIS的熱穩(wěn)定性能。從圖6（a）可以看出，氮?dú)夥諊?，PIS的5％失重溫度（T5%）為463 ℃，800 ℃ 殘?zhí)悸蕿?0%左右。同時(shí)，如圖6（b）所示，PIS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）高達(dá)245 ℃，PIS顯然可以在較高的環(huán)境溫度下長(zhǎng)期服役。綜上，該聚合物是一種熱穩(wěn)定性較好的刺激變色材料，可適用于一些溫度較高的特殊環(huán)境。

3 結(jié)論

通過(guò)鈀催化CN偶聯(lián)方法制備了一種可響應(yīng)外界環(huán)境變化的刺激變色聚合物，

4-溴-4'-氨基二苯砜（BADPS）和聚亞胺砜（PIS）產(chǎn)率分別為45%和90%。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，結(jié)合紫外-可見(jiàn)光譜測(cè)試結(jié)果表明，PIS最大吸收峰會(huì)紅移121 nm。日光下，PIS溶液會(huì)由無(wú)色透明轉(zhuǎn)變?yōu)槊鼽S色，且這種高對(duì)比度的顏色轉(zhuǎn)變是可逆的。同時(shí)PIS具備優(yōu)異的耐熱性能，其5% 熱分解溫度（T5%）為463 ℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為245 ℃，有望滿足刺激變色聚合物的應(yīng)用要求，如實(shí)現(xiàn)耐高溫聚合物的自我防偽、防止假冒偽劣產(chǎn)品以次充好、實(shí)現(xiàn)貴重物品的真假鑒別等。

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