形狀記憶聚合物及其應用

-第一章

緒論——形形色色的形狀記憶材料

1．1

形狀記憶合金

1．2

無機非金屬形狀記憶材料

1．3

形狀記憶聚合物和凝膠

1．4

形狀記憶效應的方向性第二章

聚合物的形狀記憶效應及其原理

2．1

聚合物的形狀記憶效應

2．2

聚合物形狀記憶效應的基本原理

2．3

聚合物形狀記憶效應的機械粘彈性模型

2．4

聚合物的聚集態(tài)結構和記憶效應的關系

2．5

聚合

形狀記憶聚合物是一類新型的功能高分子材料，其在電力、電子、軍工、包裝、醫(yī)療、智能系統(tǒng)等高新技術領域的應用日益受到人們廣泛的關注。本書系統(tǒng)介紹了形狀記憶聚合物的記憶效應原理、形狀記憶聚合物的結構特點、合成方法、性能及其應用等，全書共分十二章。第一章，介紹了各種形狀記憶材料的特點；第二章，介紹了聚合物的形狀記憶效應及其原理；第三章～第十二章，分別介紹了交聯(lián)聚乙烯、氟塑料、聚氯乙烯、形狀記憶聚氨酯、聚酯

1、在紡織工業(yè)上的應用

形狀記憶聚合物經(jīng)形變和固定后，在特定的外部條件下，如熱、化學、機械、光、磁、電等作用下，自動恢復到初始形狀。

1）形狀記憶材料在紡織上應用的形式主要有三種。一是形狀記憶紗線：將形狀記憶材料制成細絲，然后紡成紗線；二是形狀記憶化學品：將形狀記憶聚合物制成乳液、對織物進行整理、層壓或涂層，賦子織物形狀記憶功能，將形狀記憶聚合物制成樹脂或粘合劑與短纖維一起制成非織造織物；三是形狀記憶織物：將形狀記憶紗線織成各種機織物和針織物。將形狀記憶聚合物材料與天然纖維/合成纖維共同構成復合材料。

2）濕度敏感型聚合物應用。濕度激發(fā)形狀記憶材料，適用于用即棄衛(wèi)生產(chǎn)品，如尿布、訓練褲、衛(wèi)生巾和失禁產(chǎn)品。這些產(chǎn)品具有可折疊或伸縮功能，當材料受到一個或幾個外界力作用時，至少在某一方向可產(chǎn)生變形；當外力解除后，至少在一個方向可保持一定程度的變形。當處于潮濕或多水的環(huán)境中時，該材料具有至少一個方向的變形和部分回復的能力。用即棄產(chǎn)品可能在受到液體浸漬或在高溫和人體溫度條件下使用時會變形或變得不舒適，形狀的變化可能會產(chǎn)生滲漏問題。開發(fā)的這種產(chǎn)品和采用的方法可最大限度保持形變,從而防止?jié)B漏。

3）溫度敏感型聚合物應用。用作織物的功能性涂層和功能性整理以獲得防水、透氣性織物，如軍用作戰(zhàn)服、運動服、登山服、帳篷等。利用聚氨酯的形狀記憶功能,調整好合適的記憶觸發(fā)溫度用于服裝襯布(袖口、領口等)，使其具有良好的抗皺和耐磨等性能,通過升高溫度使其回復其在使用過程中產(chǎn)生的皺痕達到原來的形狀。

2、在工程上的應用

將異形管結合．將形狀記憶聚合物JJ口熱向內插入比聚合物管徑大的棒料擴大口徑，冷卻后抽去棒料制成熱收縮管。使用時。將要結合的管料插入．通過加熱使聚合物管收縮．緊固．可用于線路終端的絕緣保護．通信電纜接頭防水。以及鋼管線路結合處的防護。

3、在醫(yī)學上的應用

形狀記憶聚氨酯纖維在醫(yī)學同形材料、運動護套、織物、人造頭發(fā)。特別是在可生物降解的醫(yī)用組夠{縫合線等領域濕示廣闊的應用前景。

1）血管縫合線、止血鉗、醫(yī)用組織縫合線。先將縫合線拉伸200%，然后定形。手術完后，隨體溫的升高，手術線的形狀記憶回復．傷口逐漸被扎緊而閉合。

2）植人材料。熱敏形狀記憶聚氨酯可植入體內，放于需醫(yī)療的位置，通過體溫獲得需要的形狀，當完成其生理功能后，該植入材料在體內慢慢降解或被吸收，或被排放，這類材料無須進行第二次手術將所植入的材料取出，極大地減輕了病人的痛苦?？缮锝到獾闹踩氩牧系姆肿釉O計包括選擇合適的繼結點以固定聚合物的永久形變，選擇合適的分子鏈段充當開關鏈節(jié)．以及選擇合適的原材料和合成方法．以最大限度地減小毒性。另外還必須考慮生物相容件。

3）同形材料。形狀記憶聚氨酯酸形、固形、形狀回復方便，形狀記憶溫度易于調節(jié)．質輕、生物相容性好，透氣、抗菌．在醫(yī)療矯形方面得到廣泛應用。是石膏類同形材料的理想替代品。

航空、航天的部署組件和結構：例如，智能材料和織物、電子包裝或管的熱收縮膜、航空的自部署太陽帆、智能醫(yī)藥器件等。

對于傳統(tǒng)太空部署結構，通過使用機械鉸鏈、能量儲存器或馬達驅動工具來完成軌道結構配置的改變，而SMPs及其復合材料制備的部署構件可以克服某些內在缺點，如復雜組裝過程、大規(guī)模的機制、大體積。

形狀記憶聚合物在鉸鏈、天線、光學反射鏡及變形結構等中有基礎應用 通過CHEM泡沫技術，測得了一些基礎性能數(shù)據(jù)，證明形狀記憶聚合物及其復合材料在太空、商業(yè)、生物醫(yī)藥領域有不同于其他可部署結構的有點。

具體的日常生活中的應用：基于SMPs的形狀記憶纖維應用于發(fā)展熱激發(fā)的“smart”織物或未來智能衣服。

NMPs材料及其在醫(yī)藥領域的潛在應用：NMPs作為臨床器件被植入人體后，其玻璃轉化溫度可以控制SMPs的形狀恢復/自部署。新開發(fā)的SMP泡沫，結合冷蟄伏彈性記憶（CHEM）加工工藝進一步拓寬了其潛在生物醫(yī)藥應用。SMP材料小型化和變形后，通過微導管植入體內，到達正確位置后，恢復其原始設定形狀。

SMP根據(jù)其回復原理可分為:熱致型SMP、電致型SMP、光致型SMP、化學感應型SMP等 。

形狀記憶聚合物熱致型SMP

日本的石田正雄先生最先發(fā)現(xiàn), 熱致型SMP形狀記憶功能主要來源于材料內部存在不完全相容的兩相 ,即保持成型制品形狀的固定相和隨溫度變化會發(fā)生軟化，硬化可逆變化的可逆相 。 固定相的作用在于原始形狀的記憶與恢復 ，可逆相則保證成型制品可以改變形狀 。 根據(jù)固定相的結構特征 ， SMP可分為熱固性和熱塑性兩大類 ,除此之外還有一種所謂的 “ 冷變形成型”的形狀記憶聚合物材料。

形狀記憶聚合物電致型SMP

電致型SMP是熱致型形狀記憶高分子材料與具有導電性能物質（如導電炭黑、金屬粉末及導電高分子等）的復合材料。其記憶機理與熱致感應型形狀記憶高分子相同，該復合材料通過電流產(chǎn)生的熱量使體系溫度升高, 致使形狀回復, 所以既具有導電性能，又具有良好的形狀記憶功能。

形狀記憶聚合物熱固性SMP

熱固性SMP是將聚合物加溫到熔點（tm）以上和交聯(lián)劑共混，接著在模具里進行交聯(lián)反應并確定一次形狀，冷卻結晶后即得到初始態(tài)，其化學交聯(lián)結構為固定相 ,結晶相為可逆相 。 當溫度升高至 tm 以上時，可逆相熔融軟化，在外力的作用下可做成任意的形狀保持外力并冷卻固定，使分子鏈沿外力方向取向凍結得到變形態(tài) 。 當溫度再升高至tm以上時，可逆相分子鏈在熵彈性作用下發(fā)生自然卷曲，直至達到熱力學平衡狀態(tài)，從而發(fā)生形狀回復，記憶一次形狀 。

形狀記憶聚合物熱塑性SMP

熱塑性SMP實質上是高分子鏈以物理交聯(lián)的方式形成固定相和可逆相 。 當溫度升高至玻璃化轉變溫度 ( tg ) 以上時，可逆相分子鏈的微觀布朗運動加劇，而固定相仍處于固化狀態(tài)，此時以一定外力使SMP發(fā)生變形，并保持外力使之冷卻，可逆相固化得到穩(wěn)定的新形狀即變形態(tài) 。 當溫度再升高至tg以上時，可逆相軟化，固定相保持固化，可逆相分子鏈運動復活，在固定相的恢復應力作用下逐步達到熱力學平衡狀態(tài)，即宏觀表現(xiàn)為恢復原狀 。