形狀記憶高分子材料

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1、淺談形狀記憶高分子材料及典例摘要：高分子形狀記憶材料近年來吸引了許多研究者的目光,因其低廉的成本、優(yōu)異的加工性能、良好的回復(fù)性、多變的力學(xué)和物理性能等優(yōu)勢迅速地發(fā)展起來。按形狀記憶的方式,它可分為熱致感應(yīng)型、光致感應(yīng)型和化學(xué)物質(zhì)感應(yīng)型等,能滿足不同的應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞：形狀記憶高分子形狀記憶樹脂熱致感應(yīng)性一、形狀記憶高分子材料定義形狀記憶高分子（ShapeMemoryPolymer）SMP材料是指具有初始形狀的制品，在一定的條件下改變其初始形狀并固定后,通過外界條件（如熱、光、電、化學(xué)感應(yīng)）等的刺激，又可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。二、形狀記憶高分子材料結(jié)構(gòu)高分子的各種性能是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的本質(zhì)

2、反映，而高分子的形狀記憶功能是有其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。目前開發(fā)的形狀記憶高分子一般是有保持固定成品形狀的固定相和在某種溫度下能可逆的發(fā)生軟化—硬化的可逆相組成。固定相的作用是初始形狀的記憶和恢復(fù)，第二次變形和固定則是有可逆相來完成。固定相可以是高分子的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、高分子的玻璃態(tài)或分子鏈的纏繞等。可逆相則為產(chǎn)生結(jié)晶與結(jié)晶熔融可逆變化的部分結(jié)晶相，或發(fā)生玻璃態(tài)與橡膠態(tài)可逆轉(zhuǎn)變（玻璃化溫度Tg）的相結(jié)構(gòu)。三、形狀記憶高分子材料機(jī)理形狀記憶性是指某種材料在成型加工過程中形成某種固有形狀的物品，在某些條件下發(fā)生變形并被固定下來后，當(dāng)需要它時(shí)只要對它施加一定手段（如加熱，光照，通電，化學(xué)

3、處理等），使其迅速恢復(fù)到初始形狀。也就是說，具有形狀記憶性的物質(zhì)就像有生命的東西，當(dāng)其在成型加工中被塑造成具有某種固有的初始形狀的物品后，就對自己所獲得的這種初始形狀始終保持有終生記憶的特殊功能，即使在某些情況下被迫改變了本來面目，但只要具備了適當(dāng)?shù)臈l件，就會(huì)迅速恢復(fù)到原有的初始形狀。這種可逆性的變化可循環(huán)往復(fù)許多次，甚至幾萬次。高分子材料的形狀記憶性，是通過它所具有的多重結(jié)構(gòu)的相態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)，如結(jié)晶的形成與熔化，玻璃化與橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)化等。迄今開發(fā)的形狀記憶高分子材料都具有兩相結(jié)構(gòu)，即能夠固定和保持其成型物品固有初始形狀的固定相以及在一定條件下能可逆地發(fā)生軟化與固化，從而獲得二次形狀的可逆相

4、。這兩相結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是對應(yīng)著形狀記憶高分子內(nèi)部多重結(jié)構(gòu)中的結(jié)點(diǎn)（如大分子鍵間的纏繞處，聚合物中的晶區(qū)，多相體系中的微區(qū)，多嵌段聚合物中的硬段，分子鍵間的交聯(lián)鍵等）和這些結(jié)點(diǎn)之間的柔性連段。簡言之，就是由固定相或稱硬相軟化-硬化可逆相或稱軟相構(gòu)成，通過可逆相的可逆變化而具有形狀記憶效應(yīng)。四、形狀記憶高分子材料分類形狀記憶高分子材料根據(jù)其形狀回復(fù)原理可分為：熱感應(yīng)SMP，電致感應(yīng)型SMP，光致感應(yīng)型SMP，化學(xué)感應(yīng)型SMP。熱致型SMP：在室溫以上變形，并能在室溫固定形變且可長期存放，當(dāng)溫度再升至某一特定響應(yīng)溫度時(shí)，制件能很快回復(fù)初始形狀的聚合物。電致感應(yīng)型SMP:熱致型形狀記憶功能高分子與具

5、有導(dǎo)電性能物質(zhì)（如金屬粉末及導(dǎo)電高分子）復(fù)合材料。其記憶機(jī)理與熱致感應(yīng)型SMP相同該復(fù)合材料通過電流產(chǎn)生的熱量使體系溫度升高，致使形狀回復(fù)，所以既有導(dǎo)電性能，又有良好的形狀記憶功能，主要用于電子通訊及儀器儀表等領(lǐng)域。光致感應(yīng)型SMP：將某些特定的光致變色集團(tuán)（PCG）引入高分子主鏈或側(cè)鏈中當(dāng)受到光照射時(shí)，POG發(fā)生光異構(gòu)化反應(yīng)，使分子鏈的狀態(tài)發(fā)生顯著變化，材料在宏觀上表現(xiàn)為光致形變;光照停止時(shí)，PCG發(fā)生可逆的光異構(gòu)化反應(yīng)，分子鏈的狀態(tài)回復(fù)，材料也回復(fù)其初始形狀。該材料用作印刷材料，光記錄材料，“光驅(qū)動(dòng)分子閥”和藥物緩釋劑等?；瘜W(xué)感應(yīng)型SMP利用材料周圍介質(zhì)性質(zhì)的變化來激發(fā)材料變形和形狀回

6、復(fù)。常見的化學(xué)感應(yīng)方式有PH值變化，平衡離子置換，螯合反應(yīng)，相轉(zhuǎn)變反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等，這類物質(zhì)有部分皂化的聚丙烯酰胺，聚乙烯醇和聚丙烯酸混合物薄膜等。該材料用于蛋白質(zhì)或酶的分離膜等特殊領(lǐng)域。五、形狀記憶高分子材料發(fā)展史20世紀(jì)60年代初，英國科學(xué)家A.Charlesby在其所著的《原子輻射與聚合物》中，首次報(bào)道了經(jīng)輻射交聯(lián)后的聚乙烯具有記憶效應(yīng)。當(dāng)時(shí)這種發(fā)現(xiàn)并沒有引起人們的足夠的重視。隨后美國國家航空航天局（NASA）考慮其在航空航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，對不同牌號的聚乙烯輻射交聯(lián)后的記憶特性又進(jìn)行了研究，證實(shí)了輻射交聯(lián)聚乙烯的形狀記憶性能。70年代末到80年代初，美國Raychem，RD

7、I(RadiationDynamicsInc.)公司進(jìn)一步將交聯(lián)聚烯烴類形狀記憶聚合物商品化，廣泛應(yīng)用于電線電纜，管道的接續(xù)與防護(hù)，至今F系列戰(zhàn)斗機(jī)，Boeing飛機(jī)上的電線接續(xù)與線挽仍在廣泛使用這類記憶材料。80年代法國煤化學(xué)公司開發(fā)出聚降冰片烯SMP。日本投入大量人力物力進(jìn)行研究，目前已擁有聚降冰片烯、反式聚異戊二烯（TPI）、苯乙烯-丁二烯共聚物以及聚氨酯(PU)等SMP工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)。我國中科院化學(xué)研究所和上海