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智能材料——形状记忆高分子材料
摘要
高分子形状记忆材料近年来吸引了许多研究者的目光,因其低廉的成本、优异的加工性能、良好的回复性、多变的力学和物理性能等优势迅速地发展起来。按形状记忆的方式,它可分为热致感应型、光致感应型和化学物质感应型等,能满足不同的应用需求。
Abstract
Shape memory polymer materials have attracted many researchers attention in recent years, due to its low cost, excellent processing performance, good recovery, 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.
关键词：形状记忆高分子形状记忆树脂热致感应性
一、 形状记忆高分子材料定义
形状记忆高分子（Shape Memory Polymer）SMP材料是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后,通过外界条件（如热、光、电、化学感应）等的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。
二、 形状记忆高分子必备条件
1. 聚合物材料本身应具有结晶和无定形的两相结构，且两相结构的比例应
适当。
2. 在玻璃化温度或熔点以上的较宽温度范围内呈现高弹态，并具有一定的
强度，以利于实施变形。
3. 在较宽的环境温度条件下具有玻璃态，保证在贮存状态下冻结应力不会
释放。
三、 形状记忆高分子材料结构
高分子的各种性能是其内部结构的本质反映，而高分子的形状记忆功能是有其特殊的内部结构决定的。目前开发的形状记忆高分子一般是有保持固定成品形状的固定相和在某种温度下能可逆的发生软化—硬化的可逆相组成。固定相的作用是初始形状的记忆和恢复，第二次变形和固定则是有可逆相来完成。固定相可以是高分子的交联结构、部分结晶结构、高分子的玻璃态或分子链的缠绕等。可逆相则为产生结晶与结晶熔融可逆变化的部分结晶相，或发生玻璃态与橡胶态可逆转变的相结构。
图 一
形状记忆高分子的相结构
四、 形状记忆高分子材料分类
形状记忆高分子材料根据其形状回复原理可分为：电致感应型SMP、光致感应型SMP、化学感应型SMP、热致感应型SMP。
热致感应型SMP：在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当温度再升至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。
电致感应型SMP:热致型形状记忆功能高分子与具有导电性能物质（如金属粉末及导电高分子）复合材料。其记忆机理与热致感应型SMP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，所以既有导电性能，又有良好的形状记忆功能，主要用于电子通讯及仪器仪表等领域,如电子集束管、电磁屏蔽材料等。
光致感应型SMP：将某些特定的光致变色基团引入高分子主链或侧链中当受到光照射时，POG发生光异构化反应，使分子链的状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形变;光照停止时，光致变色基团发生可逆的光异构化反应，分
子链的状态回复，材料也回复其初始形状。该材料用作印刷材料，光记录材料，“光驱动分子阀”和药物缓释剂等。
化学感应型SMP：利用材料周围介质性质的变化来激发材料变形和形状回复。常见的化学感应方式有PH值变化，平衡离子置换，螯合反应，相转变反应和氧化还原反应等，这类物质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。该材料用于蛋白质或酶的分离膜等特殊领域。
五、 形状记忆高分子的记忆原理
通常认为，形状记忆聚合物可看作是两相结构，即由在形状记忆过程中保持固定形状的固定相(或硬链段)和随温度变化，能可逆地固化和软化的可逆相(或软链段)组成。可逆相一般为物理交联结构，通常在形状记忆过程中表现为软链段结晶态、玻璃态与熔化态的可逆转换；固定相则包括物理交联结构或化学交联结构。在形状记忆过程中其聚集态结构保持不变，一般为玻璃态、结晶态或两者的混合体。因此，该类聚合物的形状记忆机理可以解释为当温度上升到软链段的熔点或高弹态时，软链段的微观布朗运动加剧，易产生形变，但硬链段仍处于玻璃态或结晶态，阻止分子链滑移，抵抗形变，施以外力使其定形；当温度降低到软链段玻璃态时，其形变被冻结固定下来，提高温度，可以回复至其原始形状。也可以这样认为，形状记忆高分子就是在聚合物软链段熔化点温度上表现为高弹态，人为地在高弹态变化过程中引入温度下降或上升等因素，高分子材料则发生从高弹态到玻璃态之间转化的过程。
图 二 形状记忆过程
六、 热致感应型材料的应用
近年来,科研工作者对热致感应型纤维产生了浓厚的兴趣。韩永良等[1-2]指出今后应大力开发智能型热致感应形状记忆纤维的直接纺丝生产技术,提高纤维的形变回复力及尺寸稳定性,纤维的应用前景看好。胡金莲及周凤飞等[3-4]阐述了形状记忆高分子材料在纺织中的应用性能。
聚烯烃类热致感应型材料就其性能又可分为通用型和阻燃型两大类,通用型价格便宜,使用面广,可大量用于包装工业;阻燃型则大多用于国防尖端技术,如导弹、火箭、飞机等工业。聚酯类有良好的电学性能及极好的机械物理性能,所以广泛应用于电器工业的包封材料。氟塑料类则由于它们的耐高温、耐老化、耐化学腐蚀及优异的电学性能,因而这一类收缩材料的应用领域主要是国防军事工业及尖端工业,可用于不同口径高分子管材的接口和铆钉、医疗固定器具、火灾报警器感温装置等。某些用形状记忆高分子材料做成的便携式容器和玩具在登山、旅游时携带十分方便。需要时用热水加热使之回复到原状,取出冷却固定后即可使用。高强度的形状记忆高分子材料还可做做汽车的挡板和保险杠等,在汽车发生碰撞之后只需用热风加热即可使变形部分回复原状。
七、 形状记忆高分子材料研究方向
1. 进一步改进高分子材料的性能,降低成本。
2. 在保持形状记忆功能的前提下,充分运用分子设计技术和材料的改性技
术,提高SMP 的综合性能。
3. 将成本较高的形状记忆树脂与价廉的通用树脂共混,开发兼有多种效用
的新型形状记忆高分子材料,或者将通用的工程树脂开发为形状记忆树脂,使其既具有工程技术性能又具有特异形状记忆功能的高分子材料。
4. 把高温侧和低温侧的单向形状记忆性巧妙地组合起来,开发双向性形状
记忆树脂以及多重可逆性形状记忆复合高分子材料。
八、 结论
形状记忆高分子不仅具有形变量大、赋形容易、形状恢复温度便于调整、加工方便的优点,而且种类丰富、质轻价廉。在医疗、航天、建筑等诸多方面能发
挥独特优异的功能。未来的形状记忆高分子将更加多功能、多样化，更廉价、双向记忆。总之，随着形状记忆材料的理论研究和应用开发的不断深入，将使形状记忆材料向多品种、多功能和专业化方向发展，进—步拓宽其应用领域，使形状记忆材料可能成为21世纪重点发展的新型材料！
参考文献
[1] [2] [3] [4]
韩永良,陈莉,宋雪飞.合成纤维工业,2005,28(1):50～ 53 韩永良,陈莉.河北化工,2004,(5):1～ 5 胡金莲,杨卓鸿.印染,2004,(3):44～ 47 周凤飞,陈莉.纺织科学研究,2004,(3):9～ 13