一种将周期性分层多孔结构引入聚电解质膜的简便方法

　　一种将周期性分层多孔结构引入聚电解质膜的简便方法
　　DOI: 10.1002/advs.202100402
　　周期性多孔结构已被引入功能膜以满足各种应用的要求。尽管已经开发了许多方法来在聚合物薄膜中生成所需的结构，但很少有方法可以有效地动态实现周期性多孔结构。在这里，提出了一种将周期性分层多孔结构引入聚电解质膜的简便方法。一种可光交联的聚电解质薄膜 聚（乙烯亚胺）（PEI）和光反应性聚（丙烯酸）衍生物（PAA-N3）是通过逐层（LbL）自组装制备的。 PEI/PAA-N3 薄膜的分层交联是基于驻波光学产生的。周期性分层多孔结构是通过在薄膜的非交联区域形成孔隙来构建的。由于聚电解质的动态流动性，这种结构控制可以重复多次。对应于膜层间距的孔的尺寸有助于结构颜色。此外，通过使用光掩模的选择性光交联，在薄膜中制造结构颜色图案。尽管需要进一步探索厚（微米级及以上）薄膜的大规模结构控制，但这项工作突出了聚合物薄膜中的周期性结构控制，从而为传感器、检测和无墨领域的应用提供了一种方法印刷。
　　图式1.动态聚电解质膜中周期性分层多孔结构的构建示意图。PEI/PAA-N3 薄膜在紫外光下的分层交联具有驻波特征。一束光与其反射光相反，然后产生驻波光学元件。非交联层中的孔形成是在酸溶液浴中实现的。在100% RH环境下实现了微孔的擦除。
　　图1. A) PAA-N3 的 1H-NMR 谱。B) 不同时间（60、120 和 180 s）UV 照射前后 PAA-N3 水溶液（250 μg mL-1）的紫外-可见光谱。C) PEI/PAA-N3 薄膜的厚度随双层数增加的趋势。数据表示为 n = 3 个技术重复的平均值 ± SD。D) 具有不同双层数的 PEI/PAA-N3 薄膜的紫外-可见光谱。
　　图 2. A) (PEI/PAA-N3)5 薄膜在紫外线照射前后的吸收光谱（365 nm 单波长光，60 秒）。将组装在石英板上的 (PEI/PAAN3) 5 膜放置在硅晶片上以在紫外线照射期间施加反射表面。插图是光交联化学的示意图。B) (PEI/PAA-N3)5 薄膜在用单波长光和多波长光照射不同时间（0、30、60 和 120 秒）后的杨氏模量。数据表示为 n = 5 次技术重复的平均值 ± SD。显着性被认为是 *p < 0.05、**p < 0.01 和 ***p < 0.001。 C) (PEI/PAA-N3)5 薄膜在单波长光 (365 nm, 60 s) 下的横截面 SEM 图像。插入是指分层交联 (PEI/PAA-N3)5 薄膜的视觉颜色。D) 酸处理后分层交联 (PEI/PAA-N3)5 薄膜的横截面 SEM 图像（HCl 水溶液，pH 2.3，6 分钟）。插入是指分层多孔 (PEI/PAA-N3)5 薄膜的视觉颜色。
　　图 3. A) (PEI/PAA-N3)5 薄膜在酸处理（HCl 水溶液，pH 2.3）不同时间（0、2、4、6、8、10 和 15 分钟）后的反射光谱。插入物代表经过酸处理（HCl 水溶液，pH 2.3）不同时间（2、4、6、8、10 和 15 分钟）后薄膜的视觉颜色。B) 酸处理（HCl 水溶液，pH 2.3）不同时间（0、2、4、6、8、10 和 15 分钟）后 (PEI/PAA-N3)5 薄膜的厚度。数据表示为 n = 3 个技术重复的平均值 ± SD。C) (PEI/PAA-N3)5 薄膜在不同循环酸处理 6 分钟和暴露于 100% RH 环境 12 小时后的厚度变化。数据表示为 n = 3 个技术重复的平均值 ± SD。D) 分层多孔结构的制备和 (PEI/PAA-N3)5 膜中孔的擦除的循环。插入是电影在不同阶段的视觉颜色。
　　图 4. 结构色图案的照片。A) 在圆形区域具有分层多孔结构的圆形基质。B) 在正方形周围具有分层多孔结构的方形矩阵。C) 黄线所在区域对应的分层多孔结构的横截面图像。D) 蓝线所在区域对应的实心薄膜截面图。E) 在不同角度 (70° 和 20°) 捕获结构色图案的示意图。(PEI/PAA-N3)5 胶片中的图案照片是在 F) 70° 和 G) 20° 下拍摄的。
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