形状记忆聚合物是一种化合物。
定义
形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,简称SMP),又称为形状记忆高分子,是指具有初始形状的制品 在一定的条件下改变其
初始条件并固定后,通过外界条件(如热、电、光、
化学感应等)的刺激 又可恢复其初始形状的高分子材料。
分类
SMP根据其回复原理可分为:热致型SMP、电致型SMP、光致型SMP、化学感应型SMP等。
热致型SMP
日本的石田正雄先生最先发现, 热致型SMP形状记忆功能主要来源于材料内部存在不完全相容的两相 ,即保持成型制品形状的固定相和随温度变化会发生软化,硬化可逆变化的可逆相。固定相的作用在于原始形状的记忆与恢复,可逆相则保证成型制品可以改变形状。根据固定相的结构特征, SMP可分为热固性和热塑性两大类 ,除此之外还有一种所谓的“冷变形成型”的形状记忆聚合物材料。
电致型SMP
电致型SMP是热致型形状记忆高分子材料与具有导电性能物质(如导电
碳黑、金属粉末及导电高分子等)的
复合材料。其记忆机理与热致感应型形状记忆高分子相同,该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高, 致使形状回复, 所以既具有导电性能,又具有良好的形状记忆功能。
热固性SMP
热固性SMP是将聚合物加温到
熔点(tm)以上和
交联剂共混,接着在模具里进行交联反应并确定一次形状,冷却结晶后即得到初始态,其
化学交联结构为固定相 ,结晶相为可逆相。当温度升高至 tm 以上时,可逆相熔融软化,在外力的作用下可做成任意的形状保持外力并冷却固定,使分子链沿外力方向取向冻结得到变形态。当温度再升高至tm以上时,可逆相分子链在弹性作用下发生自然卷曲,直至达到
热力学平衡状态,从而发生形状回复,记忆一次形状。
热塑性SMP
热塑性SMP实质上是高分子链以物理交联的方式形成固定相和可逆相。当温度升高至玻璃化转变温度 ( tg ) 以上时,可逆相分子链的微观
布朗运动加剧,而固定相仍处于固化状态,此时以一定外力使SMP发生变形,并保持外力使之冷却,可逆相固化得到稳定的新形状即变形态。当温度再升高至tg以上时,可逆相软化,固定相保持固化,可逆相分子链运动复活,在固定相的恢复
应力作用下逐步达到
热力学平衡状态,即宏观表现为恢复原状。
应用
航空、航天的部署组件和结构:例如,智能材料和织物、电子包装或管的热收缩膜、航空的自部署太阳帆、智能医药器件等。
对于传统太空部署结构,通过使用机械链、能量储存器或马达驱动工具来完成轨道结构配置的改变,而SMPs及其
复合材料制备的部署构件可以克服某些内在缺点,如复杂组装过程、大规模的机制、大体积。
形状记忆聚合物在铰链、天线、光学反射镜及变形结构等中有基础应用 通过CHEM泡沫技术,测得了一些基础性能数据,证明形状记忆聚合物及其复合材料在太空、商业、生物医药领域有不同于其他可部署结构的有点。
具体的日常生活中的应用:基于SMPs的形状记忆纤维应用于发展热激发的“smart”织物或未来智能衣服。
NMPs材料及其在医药领域的潜在应用:NMPs作为临床器件被植入人体后,其玻璃转化温度可以控制SMPs的形状恢复/自部署。新开发的SMP泡沫,结合冷蛰伏弹性记忆(CHEM)加工工艺进一步拓宽了其潜在生物医药应用。SMP材料小型化和变形后,通过微导管植入体内,到达正确位置后,恢复其原始设定形状。
参考资料
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