形狀記憶聚合物

形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer,簡稱SMP),又稱為形狀記憶高分子,是指具有初始形狀的製品 在一定的條件下改變其初始條件並固定後,通過外界條件(如熱、 電、光、化學感應等)的刺激 又可恢復其初始形狀的高分子材料。

定義

形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymers,簡稱SMP),又稱為形狀記憶高分子,是指具有初始形狀的製品 在一定的條件下改變其初始條件並固定後,通過外界條件(如熱、 電、光、化學感應等)的刺激 又可恢復其初始形狀的高分子材料。

分類

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

熱致型SMP

日本的石田正雄先生最先發現, 熱致型SMP形狀記憶功能主要來源於材料內部存在不完全相容的兩相 ,即保持成型製品形狀的固定相和隨溫度變化會發生軟化,硬化可逆變化的可逆相 。 固定相的作用在於原始形狀的記憶與恢復 ,可逆相則保證成型製品可以改變形狀 。 根據固定相的結構特徵 , 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。

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)的複合材料。其記憶機理與熱致感應型形狀記憶高分子相同,該複合材料通過電流產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。

熱固性SMP

熱固性SMP是將聚合物加溫到熔點(tm)以上和交聯劑共混,接著在模具里進行交聯反應並確定一次形狀,冷卻結晶後即得到初始態,其化學交聯結構為固定相 ,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並冷卻固定,使分子鏈沿外力方向取向凍結得到變形態 。 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生自然捲曲,直至達到熱力學平衡狀態,從而發生形狀回復,記憶一次形狀 。

熱塑性SMP

熱塑性SMP實質上是高分子鏈以物理交聯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,而固定相仍處於固化狀態,此時以一定外力使SMP發生變形,並保持外力使之冷卻,可逆相固化得到穩定的新形狀即變形態 。 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,即巨觀表現為恢復原狀 。

套用

航空、航天的部署組件和結構:例如,智慧型材料和織物、電子包裝或管的熱收縮膜、航空的自部署太陽帆、智慧型醫藥器件等。

對於傳統太空部署結構,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及其複合材料製備的部署構件可以克服某些內在缺點,如複雜組裝過程、大規模的機制、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套用 通過CHEM泡沫技術,測得了一些基礎性能數據,證明形狀記憶聚合物及其複合材料在太空、商業、生物醫藥領域有不同於其他可部署結構的有點。

具體的日常生活中的套用:基於SMPs的形狀記憶纖維套用於發展熱激發的“smart”織物或未來智慧型衣服。

NMPs材料及其在醫藥領域的潛在套用:NMPs作為臨床器件被植入人體後,其玻璃轉化溫度可以控制SMPs的形狀恢復/自部署。新開發的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藥套用。SMP材料小型化和變形後,通過微導管植入體內,到達正確位置後,恢復其原始設定形狀。

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