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具有形状记忆功能高分子材料的研究进展

高分子材料与工程专业2015级王钧雷
指导老师卢苇

摘要：本世纪以来，随着高分子合成以及改性技术与高分子学理论的迅猛发展，形状记忆高分子材料正快速地渗透到我们的日常生活中，成为了一种不可或缺的材料。本文通过查阅相关的文献，对该材料的研究发展过程、应用现状进行综述。形状记忆高分子材料种类丰富，本文将着重阐述热致型形以及光致型形状记忆高分子材料，最后并进行展望。
关键词：形状记忆，记忆效应，热致型，光致型
Abstract：Sincethebeginningofthiscentury,withtherapiddevelopmentofpolymersynthesisandmodificationtechnologyandpolymertheory,shapememorypolymermaterialsarerapidlyinfiltratingintoourdailylifeandbecomeanindispensablematerial.
Keywords：shapememory,memoryeffect,thermalinducedpolymer，photoinducepolymer

1概述

1.1形状记忆高分子材料的概念
判断一类高分子材料是否为形状记忆高分子材料，即在于看这类材料是否能产生记忆效应，这是形状记忆高分子材料最核心的本质。一高分子聚合物在起初被赋予一定的形状后，固定其形状得到它的“初始态”。随后对其施加一定的外力，让它产生变形，偏离其“初始态”时所固定的形状，而后进行加热、光照、电磁等外界刺激后，此时该高分子聚合物便可回复至“初始态”时的形状，此即为形状记忆高分子材料。根据外界刺激条件的差异，形状记忆高分子材料可分为热致型、光致型、电感应型、化学感应型等类型，种类和应用技术手段都比较丰富。[1]形状记忆高分子材料目前在医疗、纺织、军工领域都得到了广泛的运用，已经和我们的生活密切相关，尽管它的发展历史并不是很久远，并且目前在应用过程中也发现了存在着不少问题，但从目前的研究现状来看，该种材料拥有非常大的应用前景，很值得我们继续探索，发挥它最大的潜能。
1.2具有形状记忆功能高分子材料的发展历程
早在上世纪60年代“记忆效应”便有迹可循。当时的英国科学家A.Charlesby[2]他对聚乙烯进行辐射交流后发现会产生形状记忆现象，便在他的著作《原子辐射和聚合物》中提出了“记忆效应”。从那时起，形状记忆功能高分子材料开始被人类所知悉。鉴于航天领域对材料性能的特殊要求，形状记忆功能高分子材料引起了美国国家航天局（NASA）的重视。随后，NASA开始投入精力与资金对该类型材料进行研发并逐渐在航天领域进行应用。[3]直至70年代，美国RDI公司将形状记忆高分子材料商业化，广泛运用到我们生活之中，如电缆、管道等。时至今日，我们的生活已经和形状记忆功能高分子材料密切相关，其在军事、医学、纺织工业等领域的广泛运用一定程度上推动了我们的社会发展。而我们对该类型材料的探索也远没有结束，近年发现的聚降冰片烯、聚氨酯等聚合物用于制备形状记忆高分子材料时，能够产生十分显著的记忆效应。[4]相信在不久的将来，形状记忆高分子材料会在我们生活中担当更重要的角色。

2形状记忆的机理及过程

在上文阐述中，我们可以发现判断某高分子材料是否具有形状记忆功能，最重要的是该材料在接受光、热、电磁等外界刺激后能否回复至最初赋形，产生记忆效应。在对已经应用到我们生活各领域中的形状记忆高分子材料的进行研究分析后，发现这些已经得到应用的形状记忆高分子材料都是两相结构。这种两相中，一相为一开始人为所赋予的初始相，这在上文也有阐述，另一相则可理解为是在外界刺激下可以可逆地硬化与软化的可逆相。其中，初始相根据其结构的不同又可分为两种：第一种为产生交联的无定型区，第二种是由于玻璃化温度或熔点较高而产生的分子缠绕。第二种情况的形状记忆功能如图所示：

图1记忆效应过程图
记忆效应原理和其长链结构密切相关，柔性高分子的分子链长而柔软发生缠结以及各分子链的长短很难一置，这导致大多数高聚物从宏观上来看是结晶与无定型的共存体系。由下图：

图2高聚物形变与温度的关系
可以得知：记忆效应无法体现的情况：由于当温度＜玻璃化温度Tg处于玻璃态时，分子链运动被阻碍。记忆效应得到体现的情况：当温度＞Tg处于高弹态时，分子链解冻开始运动，才能够产生受力变形，去除外力后恢复至原本形状的形状高弹形变，所以在玻璃化温度或熔点以上较宽的温度范围内呈现高弹态是产生记忆效应的先决条件。其次，在高弹形变中常常会有形变落后于应力变化的滞后现象，如图所示：

图3聚合物的应力-应变曲线
由于存在滞后现象，当我们将一形状记忆高分子材料加热到高弹态后施加外力使其发生变形