智能材料之形狀記憶聚合物

什么是形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物(Shapememorypolymers,SMPs)是一種典型的智能材料，在水、熱、電、光、磁等外部刺激下，其初始形狀與臨時(shí)形狀可發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。“記憶”的原理以熱致SMPs為例，其變形循環(huán)過(guò)程大致分為三個(gè)步驟：第一步，對(duì)原始的SMPs加熱至高于其轉(zhuǎn)變溫度，通過(guò)施加外力賦予其臨時(shí)形狀；第二步，在負(fù)載作用下逐步降溫至轉(zhuǎn)變溫度以下，隨后卸載外力，臨時(shí)形狀得以固定；第三步，再將具有臨時(shí)形狀的SMPs升溫至高于其轉(zhuǎn)變溫度，它可自發(fā)地從臨時(shí)形狀回復(fù)到初始形狀。此變形過(guò)程曾一度掀起了學(xué)術(shù)界的研究熱潮，最終，學(xué)者基于熱黏彈理論和相變理論給出了合理的解釋。這是由于SMPs內(nèi)部存在軟段單元和硬段單元，當(dāng)受到外界環(huán)境刺激的時(shí)候，硬段單元處于玻璃態(tài)，僅存在塑性變形，而軟段單元處于高彈態(tài)或黏流態(tài)，賦予材料變形能力的同時(shí)還存儲(chǔ)一定的應(yīng)變能，二者的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)“記憶”材料的應(yīng)用

形狀記憶聚合物所具有質(zhì)量輕便、制備簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)外，還有變形能力優(yōu)異、模量變化可逆、轉(zhuǎn)變溫度調(diào)、驅(qū)動(dòng)方式多樣等獨(dú)特性但是其彈性模量較低、回復(fù)應(yīng)力較小、回復(fù)速度較慢等缺點(diǎn)也不容忽視。因此，人們提出使用形狀記憶聚合物纖維(Shapememorypolymerfibers，SMPFs)及纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料(Fiberreinforcedshapememorypolymers，F(xiàn)RSMPs)，彌補(bǔ)SMPs現(xiàn)有的不足使它可于外科手術(shù)、藥物傳輸系統(tǒng)、傷口敷料、牙齒矯正等，為生物醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了無(wú)限的空間和可能性。也可用于人工肌肉和抓手，在軟機(jī)器人領(lǐng)域顯示出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。用于航空航天方面的除了具有優(yōu)異的抗沖擊性能和力學(xué)承載能力之外，還可以適應(yīng)高真空、高紫外輻射的熱空氣環(huán)境，足以保障其正常使用。用于紡織服裝的可以達(dá)到人們對(duì)服裝熱濕舒適性和壓力舒適性的要求在生物醫(yī)療中SMPFs和FRSMPs具有良好的生物相容性、較低的轉(zhuǎn)變溫度(接近于人體體溫)及合適的拉伸強(qiáng)度(相似于生物力學(xué)強(qiáng)度)。若將其用作生物醫(yī)學(xué)裝置，將會(huì)極大程度地降低了外科手術(shù)和后期治療引起的組織損傷。例如應(yīng)用于外科手術(shù)中，使用薄膜堆疊技術(shù)將2層碳纖維織物嵌入三層SMPU薄膜之間，熱壓后得到CF增強(qiáng)SMPU基復(fù)合材料，與SMPU相比，不論是拉伸還是彎曲，其強(qiáng)度和模量均顯著增強(qiáng)。圖7(a)表明，在有限元模擬復(fù)合材料的小變形(≤1%)彎曲回復(fù)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)該材料具有持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的彎曲回復(fù)力，十分適宜加工成顱骨入物。開(kāi)發(fā)了一種新型外科縫合線將SMPU溶液與鹽酸小檗堿(Berberinehydrochloride，BCH)溶液混合，通過(guò)濕法紡絲得到SMPU-BCH纖維。醫(yī)生在手術(shù)末尾時(shí)，可將處于伸長(zhǎng)狀態(tài)的纖維松散地縫合在傷口處，通過(guò)人體體溫觸發(fā)其長(zhǎng)度收縮，此過(guò)程如圖7(b)所示。這既解決了醫(yī)生處理縫合線捆綁力的問(wèn)題，也能促進(jìn)傷