形狀記憶高分子材料的研究

趙麗娟，龔占魁，李亞玲，魏小赟

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

材料、信息和能源作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、豐富人類生活中起到了重要的作用。其中，材料中形狀記憶高分子材料的更是由于其獨(dú)特的性能成為了工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療等領(lǐng)域的重要材料。

1 形狀記憶高分子材料(SMMs)的分類

形狀記憶材料是一種智能材料[1]，這類材料通過(guò)感知環(huán)境變化后，對(duì)其形狀、位置、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最后能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)。目前，備受研究人員關(guān)注的是形狀記憶材料中形狀記憶高分子材料，這類材料最早是由Mather在1940提出的，當(dāng)時(shí)Mather 稱其為“彈性記憶”[2]。形狀記憶高分子材料被發(fā)現(xiàn)后的應(yīng)用非常有限，直到 20 世紀(jì)末研究人員發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶功能的聚氨酯材料后，形狀記憶高分子材料開(kāi)始備受關(guān)注[3]。目前，這類物質(zhì)由于獨(dú)特的記憶功能成為了在形狀記憶合金后的又一熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。形狀記憶高分子材料根據(jù)其形狀回復(fù)原理可分為熱致感應(yīng)型、電致感應(yīng)型、化學(xué)響應(yīng)型和光致感應(yīng)型四類。

(1)熱致感應(yīng)型：這類形狀記憶高分子材料是通過(guò)改變溫度來(lái)使其變形，并且能保持固定形變?cè)谑覝亻L(zhǎng)期存放，如果再將溫度升至另一響應(yīng)溫度時(shí),就會(huì)很快回復(fù)到初始的形狀。

(2)電致感應(yīng)型：這類形狀記憶高分子材料是把熱致感應(yīng)型材料和具有導(dǎo)電性能的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合后得到的一種物質(zhì)。故其記憶機(jī)理與熱致型類似，只是它是借助電流變化產(chǎn)生的熱量使溫度改變，從而使其發(fā)生形變。所以這類材料既具有導(dǎo)電性能，又具有良好的形狀記憶功能。

(3)化學(xué)響應(yīng)型：這類形狀記憶高分子材料是通過(guò)改變材料的物理?xiàng)l件或通過(guò)發(fā)生化學(xué)變化來(lái)激發(fā)材料變形和形狀回復(fù)。例如可以通過(guò)改變pH值、離子置換、氧化還原等方法進(jìn)行。

(4)光致感應(yīng)型：這類形狀記憶高分子材料材料在其主鏈或側(cè)鏈中引入一些特定的光致變色基團(tuán)(PCG)后通過(guò)光照射，使光致變色基團(tuán)發(fā)生光異構(gòu)化反應(yīng)后變形，當(dāng)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)回復(fù)形狀。

2 形狀記憶原理研究

結(jié)合形狀記憶材料的形狀恢復(fù)形式可以大致將記憶效應(yīng)分為三種，即不可逆形狀記憶效應(yīng)，可逆形狀記憶效應(yīng)，全程形狀記憶效應(yīng)。下面重點(diǎn)研究熱致感應(yīng)型和化學(xué)響應(yīng)型的形狀記憶原理

2.1 熱致感應(yīng)型的形狀記憶原理

圖1 熱致感應(yīng)型的形狀記憶原理

日本的石田正雄認(rèn)為，這類記憶材料可看成具有記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化的可逆相兩相。該類高分子材料的形變及回復(fù)過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟：(1)具有一定初始形狀的材料加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，外力作用使其發(fā)生形變；(2)快速冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，除去外力，形變被凍結(jié)，得到臨時(shí)形狀；(3)加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，材料回復(fù)到初始形狀。見(jiàn)圖1。

2.2 化學(xué)響應(yīng)型形狀記憶原理

化學(xué)響應(yīng)型記憶高分子材料通過(guò)引入特定的溶劑后如果使分子鏈間的作用力削弱，使分子鏈的運(yùn)動(dòng)性增強(qiáng)這種作用原理稱為塑化作用原理[4]，如果通過(guò)加入溶劑使形狀記憶高分子材料溶脹后體積增大，這樣就能會(huì)增加分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力和柔順性，從而使其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低[5]這種作用原理稱為溶脹原理[6]。如果加入特定溶劑后會(huì)讓形狀記憶高分子材料中的轉(zhuǎn)變相發(fā)生溶解，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力會(huì)使彈性相中的彈性能得到釋放這種作用原理稱為塑化稱為轉(zhuǎn)變相溶解回復(fù)原理。當(dāng)然，記憶高分子材料中特定基團(tuán)在某種值下經(jīng)過(guò)去質(zhì)子化作用降低材料內(nèi)部的鏈段柔性，從而使材料形變得到固定；當(dāng)pH值發(fā)生變化，質(zhì)子化作用重新激活鏈段柔性，記憶高分子材料就會(huì)從臨時(shí)形狀回復(fù)到初始狀態(tài)，這種作用原理稱為pH值回復(fù)原理。

3 形狀記憶高分子材料的應(yīng)用

形狀記憶高分子材料發(fā)展到今天，它在航天、生物醫(yī)藥、紡織、航天、傳感制動(dòng)等領(lǐng)域展示了優(yōu)越的性能，投身此領(lǐng)域的研究人員越來(lái)越多。未來(lái)對(duì)于形狀記憶材料在分子設(shè)計(jì)、形狀恢復(fù)精度控制等方面的研究將會(huì)成為熱點(diǎn)。