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综述SMPU材料形状记忆能力影响因素与分类(4)

来源:材料导报 作者:崔航;王锋;胡剑青;涂
发布于:2017-06-27 共14675字
  典型的磁致SMPU形状记忆循环是先将材料加热到玻璃化转变温度以上,在外力下使材料发生形变,冷却后材料保持内应力,然后通过交流磁场的作用诱导磁性粒子产生热量并使材料温度升高,当温度达到材料中可逆相的软化温度,产生高弹形变,未完成的可逆形变在内应力的驱使下完成,从而诱导材料形状回复。SMPU之所以能实现磁场驱动,主要是源于基体聚氨酯中磁性粒子在交变磁场下产生的热效应。没有磁场作用时,磁性粒子运动处于平衡状态,施加外部磁场后,磁性粒子迅速排列整齐,在材料内部形成网络结构,移除磁场后,热能使磁性粒子的矢量随机波动,呈无序状。
  
  制备磁致SMPU添加的磁性粒子多为纳米尺寸,如四氧化三铁(Fe3O4)、γ-三氧化二铁(γ-Fe2O3)、镍锌铁氧体、钕铁硼(NdFeB)等。Razzaq等[36]研究了磁性Fe3O4对聚氨酯形状记忆性能的影响,用场强4.4kA/m、频率50Hz的磁场对材料的形状记忆性能进行测试,发现该复合材料具有较高的形状回复率,进一步的研究表明,该复合材料在低场强、低频率的交变磁场中也具有很好的形状记忆能力。Shu-Ying Gu等[37]在磁性纳米Fe3O4表面负载油酸以提高粒子在聚氨酯中的分散性,并制备了聚氨酯/四氧化三铁复合材料,在交变磁场环境下,材料中的Fe3O4粒子将电磁能转化为热能,从而实现形状回复。该材料的形状回复率在第一次和第二次测试中分别为82%和91%.
  
  3.5溶剂驱动型SMPU.
  
  溶剂驱动型SMPU是使用溶剂作为刺激条来实现材料的形状记忆功能。由于溶剂分子扩散在聚氨酯分子链中时对聚氨酯具有一定的增塑作用,降低了聚氨酯的玻璃化转变温度,故溶剂驱动型SMPU从机理上讲是一类特殊的热致SMPU.
  
  水作为一种廉价、易得的环保型溶剂,水驱动型SMPU受到越来越多的关注。2003年,新加坡南洋理工的Huang[38]在实验中发现,水或者湿气能够显着降低聚氨酯材料的玻璃化转变温度(Tg)和弹性模量,从而证明了水或者湿气对SMPU的形状回复具有驱动作用。Huang等[39]进一步研究了水驱动聚氨酯形状回复这一现象,发现氢键是水能够驱动聚氨酯形状回复的关键因素。材料吸收的水分中,一部分是自由水,另一部分是结合水,自由水对Tg无影响,而结合水与聚氨酯分子链之间能够形成氢键,从而降低Tg.
  
  超支化聚合物具有流动性好、不易结晶、溶解性好、末端活性基团容易接枝改性等特点,被认为是继线性、轻度枝化、交联高分子材料之后的第四 类高分材料[40].HemjyotiKalita等[41]用聚己内酯二元醇(PCL)、铁力木籽油制备溶剂驱动型超支化聚氨酯,并对其形状记忆性能进行研究。结果表明,溶剂的溶解度参数、极性、分子尺寸是影响超支化聚氨酯形状回复能力的主要因素,该超支化聚氨酯溶胀在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中时,玻璃化转变温度和软化温度降低,表现出优良的形状记忆能力,而在二甲基亚砜、甲醇、水中则不具备形状记忆能力。
  
  溶剂的溶度参数对形状记忆聚合物的形变能力有很大影响,对于极性聚合物,回复时间和溶度参数的关系可表示为[42]:
  
    
  式中:τ为形状回复时间;ω为极性部分的溶度参数;τ0为常数;Ω为非极性部分的溶度参数;ΔE为链段运动激活能;1,2为分别代表溶剂和聚合物;R为气体常数;Φ为体积分数;V为混合后总体积。
  
  4 SMPU的应用前景。
  
  SMPU是一类重要的智能材料,既具有聚氨酯材料弹性好、耐磨、附着力强、低温抗冲击性能优异的特点,又具备形状记忆聚合物的高回弹性和抗振动性[43]的优点,在众多领域得到广泛应用。
  
  4.1生物医学领域。
  
  SMPU具有良好的生物相容性和生物降解性,力学性能好,易于加工成型,在临床医学和植入医疗设备领域具有巨大的应用前景,可应用于伤口敷料、手术缝合、骨折固定、组织修复、药物释放等方面。
  
  传统医用金属材料具有较高的强度和韧性,但往往存在一定的腐蚀和毒性。H M Wache等[44]用SMPU材料制备血管修复用支架,该支架与机体相容性好,能够自伸展以降低支架内再狭窄的发生概率,并减少植入器械引起的并发症。
  
  为提高SMPU的生物相容性,生物基大分子开始引入到聚氨酯主链或者侧链中。Chai Q Y等[45]合成了葡萄糖改性的二元胺扩链剂,制备的SMPU具有较好的生物相容性。通过调整改性二元胺和聚乙二醇的比例,可以得到玻璃化转变温度可控的聚氨酯材料。实验中制得了玻璃化转变温度为39℃左右(接近人体生理温度)的聚氨酯,对其膜表面进行硫化处理后,材料的血液相容性提高,而玻璃化转变温度不受影响。
  
  在组织工程方面,Song J J等[46]制备了不同比例的热塑性聚氨酯/聚乳酸复合物,并测试了其形状记忆能力。该复合材料具有较好的生物相容性,在70℃的测试温度下,共混比例为65/35和80/20(质量比)的聚氨酯/聚乳酸复合物在形状回复过程中都能够承受50g砝码的重力,并且形状回复率分别达到72.3%和67.5%,有望用于人工肌肉的制造。
  
  4.2智能纺织领域。
  
  SMPU具有优良的形状记忆性能,成型方式多样,能够适应挤压、注射、铸造、涂层等成型工艺,在纺织领域的应用具有先天的优势。它既可以进行纺丝制成形状记忆纤维,也可以作为织物的功能性涂层,使织物具备一定的形状回复性。Liu Yan等[47]将羊毛分别与热致SMPU纤维、莱卡纤维进行混纺,研究不同SMPU含量对织物起拱的影响。由于SMPU的形状记忆能力,织物的起拱得到一定程度的减弱,纤维中SMPU的转变温度和含量对织物的起拱有着显着的影响。
  
原文出处:崔航,王锋,胡剑青,涂伟萍. 形状记忆聚氨酯材料的研究进展[J]. 材料导报,2017,(03):1-6+31.
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