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刺激响应性水凝胶能够对外界环境的刺激作用产生响应,其物理或化学性质包括凝胶的形状和尺寸、光学性质、导电性以及力学性能等会发生明显变化。因此,它们在诸多领域都具有较好的应用价值。其中,力致变色水凝胶作为一种新型的刺激响应性水凝胶得到了广泛关注。这是因为,在外力作用下,水凝胶的表观颜色或荧光色可以产生明显改变;同时,当外界应力被撤去后或经过其他手段处理后,其光学性质可以逆回。基于这一特性,力致变色水凝胶在应力/应变传感、智能显示和信息存储等领域具有重要应用前景。力敏基元是一类对力敏感的小分子基团,常常被用于开发力响应性聚合物材料。其中,部分力敏基元具有力致变色的特性,如果将这些力致变色的力敏基元共价键接到水凝胶网络中,或许可以赋予水凝胶力致变色的性质。然而不幸的是,力敏基元往往高度疏水,很难被直接引入到水凝胶中。因而设计和开发有效的水凝胶制备方法,将具有力致变色特性的力敏基元引入到水凝胶网络中,对于开发新型力致变色水凝胶意义重大。在本文中,我们主要利用具有力致变色和力致荧光特性的罗丹明力敏基元作为功能组分,通过借鉴和发展新的水凝胶制备方法,开发出了力致变色胶束水凝胶、力致变色双网络水凝胶及力和温度双重刺激响应的力致变色水凝胶。主要研究内容如下:(1)采用乳液聚合的方法制备力致变色胶束水凝胶。利用大分子表活剂吐温80将罗丹明力敏基元交联剂和疏水单体丙烯酸甲酯稳定和分散于丙烯酰胺水溶液中,并通过一步光照聚合的方法制备高强度胶束水凝胶。由于罗丹明力敏基元对应力敏感,胶束水凝胶表现出了优异的力致变色与力致荧光特性。该工作是迄今以来第一次将罗丹明力敏基元引入水凝胶体系,和之前罗丹明功能化的有机弹性体体系相比,水凝胶中罗丹明的力学敏感性显著提高。水凝胶力致变色响应性的增强机理主要包含以下三点:一方面,水凝胶中的胶束结构具有应力集中效应,有利于应力通过聚合物链较为集中地传递给胶束结构中的罗丹明力敏基元;另一方面,由于水凝胶中聚合物链段的运动能力较好,水凝胶可达到较高的拉伸应变,有利于罗丹明交联聚合物链的取向,继而促进罗丹明力敏基元的力学活化;此外,水的活化作用也是提高力敏基元响应性的重要因素。另外,水凝胶也显示出了优异的酸致变色和酸致荧光的特性。这一双重刺激响应性的水凝胶体系将有助于拓宽软体材料的应用领域。(2)采用溶剂置换的策略制备力致变色双网络水凝胶。以双网络水凝胶的传统制备方法为基础,通过自由基聚合的方法将疏水的罗丹明力敏基元通过共价交联的形式键接到第一网络有机凝胶中,之后通过溶剂置换的方法去除有机溶剂,随后引发第二网络单体聚合,最终制备得到罗丹明功能化的双网络水凝胶。该双网络水凝胶具有较高的力学强度和优异的拉伸性能,同时也表现出了优异的力致变色与力致荧光特性。由于水凝胶中第一网络高度伸展,使水凝胶中罗丹明力敏基元表现出了较高的力学敏感性。即使水凝胶在纯水或盐溶液中达到溶胀平衡后,也能够表现出优异的力致变色性能。基于水凝胶的高力学敏感性,其还表现出了可逆的冻致变色性能,这是迄今为止报道的第一例冻致变色水凝胶。此外,得益于罗丹明力敏基元同时对力和酸/碱敏感,水凝胶显示出了pH调控力致变色的性质。该工作对于构筑高敏感力致变色水凝胶具有重要的指导意义,同时,我们希望该力致变色水凝胶可以充当应力传感器去检测生物体系的应力活化或充当探针去研究低温聚合物溶液体系的应力水平。(3)采用溶剂置换的策略,利用NIPAM单体和罗丹明力敏基元为功能组分,构筑了具有力和温度双重刺激响应的力致变色双网络水凝胶。双网络水凝胶的第一网络主要由罗丹明力敏基元交联剂和两种单体共聚构筑,单体为:2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠(NaAMPS)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM),第二网络为聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)。通过调节第一网络中NaAMPS与NIPAM的比例,可以获得一系列具有不同结构形貌、力学强度、热响应行为和力响应行为的水凝胶。不同组成的水凝胶都表现出了温度响应性,经加热后,水凝胶可以由无色透明转变为白色。水凝胶也表现出了优异的压致变色和压致荧光特性,经冷冻后,水凝胶也能发生力致变色。基于水凝胶的力和温度双重刺激响应性,其在“智能窗户”和可写可擦除等方面具有较高的应用价值。我们的工作对于构筑多重刺激响应性高强度水凝胶具有重要指导意义。