智能材料與智慧生活課程論文

1、智能材料一一形狀記憶高分子材料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(shì)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。AbstractShape memory polymer materials have attracted many researchers attention in recent years, due to its low cost, excellent processing performance, good recovery,

2、 and the mechanical and physical properties of the advantages of developing rapidly. According to the way of shape memory, it can be divided into thermal induced type, light induced type and chemical induction type, can meet different application requirements.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

3、分子(Shape Memory Polymer)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、形狀記憶高分子必備條件聚合物材料本身應(yīng)具有結(jié)晶和無(wú)定形的兩相結(jié)構(gòu)，且兩相結(jié)構(gòu)的比例應(yīng) 適當(dāng)。在玻璃化溫度或熔點(diǎn)以上的較寬溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)高彈態(tài)，并具有一定的 強(qiáng)度，以利于實(shí)施變形。在較寬的環(huán)境溫度條件下具有玻璃態(tài)，保證在貯存狀態(tài)下凍結(jié)應(yīng)力不會(huì) 釋放。三、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)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

4、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)生軟化一硬化的可逆相組成。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?？?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)變的相結(jié)構(gòu)。（交聯(lián)結(jié)構(gòu)記憶起始形 部分結(jié)晶結(jié)構(gòu) 狀的固定相玻璃態(tài)I超高分子鏈的纏繞等隨溫度變化能可I逆地固化和軟化的可逆相產(chǎn)生結(jié)晶與結(jié)晶可逆變化 的部分結(jié)晶相發(fā)生玻璃態(tài)和橡膠態(tài)可逆 轉(zhuǎn)變的相結(jié)構(gòu)圖一形狀記憶高分子的相結(jié)構(gòu)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

5、為：電致感應(yīng)型SMP、光致感 應(yīng)型SMP、化學(xué)感應(yīng)型SMP、熱致感應(yīng)型SMP。熱致感應(yīng)型SMP:在室溫以上變形，并能在室溫固定形變且可長(zhǎng)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,如電子集束管、電磁 屏蔽材料等。光致感應(yīng)型SMP：將某些特定的光致變色基團(tuán)引入高分子主鏈或側(cè)鏈中當(dāng)受 到光照射時(shí)，POG發(fā)

6、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)，光致變色基團(tuán)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、形狀記憶高分子的記憶原理通常認(rèn)為，形狀記憶聚合物可看作是兩相結(jié)構(gòu)，即由在形狀記憶過程中 保持固定形狀的

7、固定相（或硬鏈段）和隨溫度變化，能可逆地固化和軟化的可逆 相（或軟鏈段）組成?？赡嫦嘁话銥槲锢斫宦?lián)結(jié)構(gòu)，通常在形狀記憶過程中表現(xiàn) 為軟鏈段結(jié)晶態(tài)、玻璃態(tài)與熔化態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換；固定相則包括物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)或 化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)。在形狀記憶過程中其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)保持不變，一般為玻璃態(tài)、結(jié) 晶態(tài)或兩者的混合體。因此，該類聚合物的形狀記憶機(jī)理可以解釋為當(dāng)溫度上 升到軟鏈段的熔點(diǎn)或高彈態(tài)時(shí)，軟鏈段的微觀布朗運(yùn)動(dòng)加劇，易產(chǎn)生形變，但 硬鏈段仍處于玻璃態(tài)或結(jié)晶態(tài)，阻止分子鏈滑移，抵抗形變，施以外力使其定 形；當(dāng)溫度降低到軟鏈段玻璃態(tài)時(shí)，其形變被凍結(jié)固定下來，提高溫度，可以 回復(fù)至其原始形狀。也可以這樣認(rèn)為，形狀記憶高分子就

8、是在聚合物軟鏈段熔 化點(diǎn)溫度上表現(xiàn)為高彈態(tài)，人為地在高彈態(tài)變化過程中引入溫度下降或上升等 因素，高分子材料則發(fā)生從高彈態(tài)到玻璃態(tài)之間轉(zhuǎn)化的過程。圖二形狀記憶過程六、熱致感應(yīng)型材料的應(yīng)用近年來，科研工作者對(duì)熱致感應(yīng)型纖維產(chǎn)生了濃厚的興趣。韓永良等A指出 今后應(yīng)大力開發(fā)智能型熱致感應(yīng)形狀記憶纖維的直接紡絲生產(chǎn)技術(shù)，提高纖維的 形變回復(fù)力及尺寸穩(wěn)定性，纖維的應(yīng)用前景看好。胡金蓮及周鳳飛等3-4闡述了形 狀記憶高分子材料在紡織中的應(yīng)用性能。聚烯烴類熱致感應(yīng)型材料就其性能又可分為通用型和阻燃型兩大類,通用型 價(jià)格便宜，使用面廣，可大量用于包裝工業(yè);阻燃型則大多用于國(guó)防尖端技術(shù)，如 導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)等工業(yè)

9、。聚酯類有良好的電學(xué)性能及極好的機(jī)械物理性能，所 以廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)的包封材料。氟塑料類則由于它們的耐高溫、耐老化、耐 化學(xué)腐蝕及優(yōu)異的電學(xué)性能，因而這一類收縮材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要是國(guó)防軍事工 業(yè)及尖端工業(yè)，可用于不同口徑高分子管材的接口和鉚釘、醫(yī)療固定器具、火災(zāi) 報(bào)警器感溫裝置等。某些用形狀記憶高分子材料做成的便攜式容器和玩具在登山、 旅游時(shí)攜帶十分方便。需要時(shí)用熱水加熱使之回復(fù)到原狀,取出冷卻固定后即可 使用。高強(qiáng)度的形狀記憶高分子材料還可做做汽車的擋板和保險(xiǎn)杠等，在汽車發(fā) 生碰撞之后只需用熱風(fēng)加熱即可使變形部分回復(fù)原狀。七、形狀記憶高分子材料研究方向進(jìn)一步改進(jìn)高分子材料的性能，降低成本。

10、在保持形狀記憶功能的前提下，充分運(yùn)用分子設(shè)計(jì)技術(shù)和材料的改性技 術(shù)，提高SMP的綜合性能。將成本較高的形狀記憶樹脂與價(jià)廉的通用樹脂共混，開發(fā)兼有多種效用 的新型形狀記憶高分子材料，或者將通用的工程樹脂開發(fā)為形狀記憶樹 脂，使其既具有工程技術(shù)性能又具有特異形狀記憶功能的高分子材料。把高溫側(cè)和低溫側(cè)的單向形狀記憶性巧妙地組合起來，開發(fā)雙向性形狀 記憶樹脂以及多重可逆性形狀記憶復(fù)合高分子材料。八、結(jié)論形狀記憶高分子不僅具有形變量大、賦形容易、形狀恢復(fù)溫度便于調(diào)整、加 工方便的優(yōu)點(diǎn),而且種類豐富、質(zhì)輕價(jià)廉。在醫(yī)療、航天、建筑等諸多方面能發(fā) 揮獨(dú)特優(yōu)異的功能。未來的形狀記憶高分子將更加多功能、多樣化，更廉價(jià)、雙 向記憶。總之，隨著形狀記憶材料的理論研究和應(yīng)用開發(fā)的不斷深入，將使形狀 記憶材料向多品種