环氧基和聚乙烯醇基形状记忆复合材料的驱动性能研究

发布时间：2018-04-20 07:19

本文选题：形状记忆聚合物 + 复合材料　；参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：形状记忆聚合物能够在受到外部激励作用时回复其原始形状,它的这一特性奠定了其在智能材料领域的重要地位。形状记忆聚合物复合材料具有优良的综合性能,然而直接加热的驱动方式使形状记忆聚合物复合材料的应用受到热源、使用温度、热传导、可控性等多方面因素的限制。因此,基于形状记忆聚合物复合材料驱动特性的可设计性,研究环境友好、快速响应、非接触式控制的形状记忆聚合物复合材料,将有效拓展形状记忆聚合物复合材料的应用范围,具有重要的理论和现实意义。本文中将以形状记忆聚合物为基体材料,以金属、碳材料、半导体、介孔材料、纤维或其他无机粒子为功能相,通过适当的制备方法构筑的具有特定驱动功能的复合材料体系称为形状记忆复合材料。本文以驱动功能为导向,选择合适的功能相和形状记忆聚合物基体,构筑新型水驱动、电致驱动、光驱动形状记忆复合材料,研究其形状记忆性能、影响其形状记忆性能的关键因素及相应的机理,主要研究内容如下文所述。利用具有两亲性分子结构的十二烷基硫酸钠与水分子的化学交互作用,制备了新型的表面具有三维微孔结构的水驱动热固性环氧基形状记忆复合材料。十二烷基硫酸钠/环氧水驱动形状记忆复合材料表面的三维微孔结构,有利于水分子与该复合材料体系发生相互作用,触发其水驱动形状记忆效应。化学交互作用、物理溶胀作用、温度和样品厚度是影响该复合材料水驱动形状记忆性能的关键因素。金纳米粒子/聚乙烯醇形状记忆复合材料体系中金纳米粒子表面的含氧功能基团有利于提高复合材料体系与水分子间相互作用的能力,使复合材料体系可在较低温度下实现水驱动形状记忆回复。在30o C的水环境中,金纳米粒子/聚乙烯醇形状记忆复合材料在9min内就可以完成形状记忆回复过程,其水驱动形状回复效应主要归因于水分子对形状记忆复合材料产生的增塑作用。采用具有良好导电性能的还原氧化石墨烯纸和碳纳米纸作为功能相,分别与环氧基形状记忆聚合物和聚乙烯醇基形状记忆聚合物基体制备电致驱动形状记忆复合材料。在6V电压下,还原氧化石墨烯纸/环氧形状记忆复合材料在5s内回复到原始形状。在电激励条件下,还原氧化石墨烯纸和碳纳米纸产生的焦耳热能够传递给各自复合材料体系中的形状记忆聚合物基体,使得各自复合材料体系表现出良好的电致驱动形状记忆性能。研究结果表明,以上电致驱动形状记忆复合材料所需的外加驱动电压低,完成形状记忆回复过程所需的响应时间短,在应用过程中节能、便捷,这为设计新型快速响应的电致驱动形状记忆复合材料提供了实验依据。利用具有良好光热效应的金纳米粒子作为功能相,以聚乙烯醇基形状记忆聚合物作为基体,制备光驱动形状记忆复合材料。金纳米粒子/聚乙烯醇形状记忆复合材料具有良好的光驱动形状记忆性能,在14s内其光驱动形状记忆回复率达到100%。金纳米粒子能够将光能转化为热能,使金纳米粒子/聚乙烯醇光驱动形状记忆复合材料在分子水平的形状记忆效应转化为宏观的形状回复效应。根据以上对水驱动形状记忆复合材料、电致驱动形状记忆复合材料和光驱动形状记忆复合材料的设计原理、构筑方法、形状记忆性能和形状记忆效应机理的研究结果,本文选择金纳米粒子和碳纳米纸作为功能相与聚乙烯醇基形状记忆聚合物基体构筑新型金纳米粒子/碳纳米纸/聚乙烯醇形状记忆复合材料(Au/CNTP/PVA)。Au/CNTP/PVA的光驱动形状记忆回复率在10s内达到100%,其光驱动形状记忆性能明显优于相应的只具有单一功能相的复合材料体系。Au/CNTP/PVA兼具光驱动、水驱动、电致驱动形状记忆性能,在30oC的水环境中6min内就可以完成形状记忆回复过程,外加3V驱动电压时35s内完成电致驱动形状记忆回复过程。Au/CNTP/PVA与相应的只具有单一功能相的复合材料相比,其光驱动、水驱动和电致驱动形状记忆性能均明显的提高。在Au/CNTP/PVA中,功能相金纳米粒子和碳纳米纸赋予其感知外界水、电和光激励,控制其状态和行为的能力。这两种功能相与聚乙烯醇形状记忆聚合物基体间的相互作用,使该复合材料体系以一种优化方式对外界激励作出响应。聚乙烯醇基形状记忆聚合物基体不仅起到构成该复合材料体系的承载作用,也能够在与功能相金纳米粒子和碳纳米纸相互作用的同时,保持自身良好的形状记忆性能。Au/CNTP/PVA可将光能、化学能、电能转化为机械功,实现非直接热源驱动的形状记忆效应,具有更好的环境适应性。以上研究对促进形状记忆聚合物复合材料发展和应用具有重要的意义,为发展各类新型智能材料提供理想的材料平台。
[Abstract]:The shape memory polymer composite material has excellent comprehensive performance . The shape memory polymer composite material has excellent comprehensive performance . The shape memory polymer composite material has excellent comprehensive performance . The shape memory polymer composite material has excellent comprehensive performance . Au / CNTP / PVA can convert the light energy , chemical energy and electric energy into mechanical work and control its state and behavior . Au / CNTP / PVA can convert optical energy , chemical energy and electric energy into mechanical work and realize the shape memory effect of non - direct heat source .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

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