智能高分子材料讲解
具有较好的耐湿气性和滑动性。
苯乙烯—丁二烯共聚物
商品名:阿斯玛。
固定相:高熔点(120℃)的聚苯乙烯(PS)结晶部分; 可逆相:低熔点(60℃)的聚丁二烯(PB)结晶部分;
加工成形容易,形状恢复速度快,常温时形状的 自然回复极小; 有良好的耐酸碱性和着色性,易溶于甲苯等溶剂, 便于涂布和流延加工,且粘度可调; 形变量可高达400%,重复形变可达200次以上; 缺点:恢复精度不够高。
操作简单、取下方便、质轻、强度高、易做成复杂形状。
(iii)缓冲材料 用于汽车的外壳、缓冲器、保险杠、安全帽等 领域,当汽车突然受到冲撞时,保护装置会发生变 形,变形以后,只需加热就可恢复原状。 (iv)包装材料 将SMP制成筒状的包装薄膜,套到需包装的产 品外面,经过一个加热工序,SMP便可牢固的收缩 包装在产品外面,可方便地实现连续自动化包装生 产。 如:电池、药品、书籍、高档服装等的封装。
8.5.1形状记忆聚合物(SMP) 引发形状记忆效应的外部环境因素:
物理因素:热能、光能、电能和声能等;
化学因素:酸碱度、螯合反应和相转变反应等。
螯合反应:螯合反应就是多齿的配 位或者说络合反应。螯合剂是多齿 的配位剂。多齿的意思就是一个配 位剂可以与中心离子形成两个及以 上的配位键。常见的螯原子主要是 N,O和S。具体的例子附在图片里面 了。例子是一个NN型螯合物
高分子结构特点
高分子聚合物由相对分子质量小的化合物 分子相互结合成相对分子质量大的高分子 化合物的反应(聚合反应) 交联 缠结
高分子结构特点
晶态和玻璃态
高分子结构特点
记忆响应机理分类
热致SMP:研究最多,达到应用 电致SMP 光致SMP 化学感应SMP 热致形状记忆高分子种类
聚烯烃类: 耐高温 耐腐蚀场合 聚酯类:耐热 耐化学药品-医用 聚氨酯类:建筑 医学
8.5 形状记忆聚合物(SMP)
Shape Memory Polymer
形状记忆聚合物(SMP)
具有初始形状的聚合物制品经形变固定后, 通过加热等外部刺激手段的处理又可恢复初始形 状的聚合物。 优点:形变量大、形变加工方便、形状恢复温度易 于调整、电绝缘性和保温效果好、不生锈、 易着色、可印刷、质轻、耐用、价格低廉。 缺点:强度低、形变恢复驱动力小、刚性和硬度低、 稳定性差、性能易受外部环境的物理、化学 因素的影响,易燃烧、耐热性差、易老化、 使用寿命短。
8.5.2 热致SMP
在室温以上一定温度变形并能在室温固定形变且 长期存放,当再升温至某一特定响应温度时,能很快 回复初始形状的聚合物。
两相结构:固定相+可逆相
固定相:聚合物交联结构或部分结晶结构,在工作温 度范围内保持稳定,用以保持成型制品形状 即记忆起始态。 可逆相:能够随温度变化在结晶与结晶熔融态(Tm)、 或玻璃态与橡胶态间可逆转变(Tg),相应结 构发生软化、硬化可逆变化——保证成型制品 可以改变形状。
逆相软化而固定相保持固化,可逆相分子链运动复活, 在固定相的恢复应力作用下解除取向,并逐步达到热力 学平衡状态,即宏观上化的温度以下,材料保待A 形状。 ——SMP没有双程记忆效应
热致形状记忆反应过程简图
8.5.3光致SMP
一定方式引入光致变色基团,光照时候, 基团发生异构反应传递给侧链,引发宏观 变形,光照取消后,可逆反应
反式聚异戊二烯(TPI)
聚氨酯 聚酰胺 聚氟代烯烃等。
(3)形状记忆聚合物的应用 医疗、包装、建筑、玩具、汽车、报警器材等领域。
(i)异型管接合材料
用于:仪器内部线路集合、线路终端的绝缘保护、 通讯电缆的接头防水、钢管线路结合处的 防护等工程。
(ii)医疗器材
代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料。 将 SMP 加工成创伤部位的形状,用热水或 热风使其软化,施加外力为易装配的形状, 冷却后装配到创伤部位,再加热便恢复原 状起固定作用。
加热
形状记忆 过程
(1) 热成形加工: 将粉末状或颗粒状树脂加热融化使固定相 和软化相都处于软化状态,将其注入模具中成型、冷却,固 定相硬化,可逆相结晶,得到希望的形状 A ,即起始态。 (一次成型)
加热
可逆相分子链的微观布朗运动加剧,发生软化,而固定相 仍处于固化状态,其分子链被束缚,材料由玻璃态转为橡 胶态,整体呈现出有限的流动性。施加外力使可逆相的分 子链被拉长,材料变形为B形状。
(2)变形:将材料加热至适当温度(如玻璃化转变温度Tg),
加热
(3) 冻结变形: 在外力保持下冷却,可逆相结晶硬化,
卸除外力后材料仍保持B形状,得到稳定的新形状即变形 态。(二次成型)此时的形状由可逆相维持,其分子链沿外 力方向取向、冻结,固定相处于高应力形变状态。
加热
(4)形状恢复:将变形态加热到形状回复温度如Tg,可
SMA和SAP比较
(2)SMP的种类
聚降冰片烯(polynorbornene) 商品名:NORSOREX(诺索勒克斯) 平均分子量:300万以上,比普通塑料高100倍; Tg:35℃,接近人体温度。室温下为硬质,固化后 环境温度超过40℃时,可在很短时间恢复原来的形 状,且温度越高恢复越快,适于制作人用织物。 属于热塑性树脂,可通过压延、挤出、注射、真空 成型等工艺加工成型; 强度高,具有减震功能;
8.5.3光致SMP
8.5.3光致SMP
热致SMP与SMA的形状记忆效果比较: (1)SMA 的形变量低,一般在 l0 %以下,而 SMP 较高, 形状记忆聚氨酯和TPI均高于400%。 (2)SMP 的形状恢复温度可通过化学方法调整;如形 状记忆聚氨酯的恢复温度范围为 30 - 70℃ ,具体 品种的SMA的形状恢复温度一般是固定的。
(3)SMP 的 形 状 恢 复 应 力 一 般 均 比 较 低 , 在 9.81 - 29.4MPa之间,SMA则高于1471MPa。 (4)SMA的重复形变次数可达104数量级,而SMP仅稍 高于5000次,故SMP的耐疲劳性不理想。
(5) 目前 SMP 仅有单向记忆功能,而 SMA 己发现了双 向记忆和全程记忆功能。