形状记忆聚合物的研究与发展
发布时间：2021-02-21 03:54
目的分析并总结近年来关于形状记忆聚合物（SMP）的研究及其在高科技领域的应用进展,并提出今后的发展趋势。方法在分析SMP形状记忆机理的基础上,较为系统地介绍SMP的制备方法和工艺,总结改性方法对SMP材料主要性能的影响,指出其在一些高科技领域的应用潜能和形状记忆生物基聚合物复合材料的发展前途。结论制备工艺是影响SMP的力学性能和记忆性能等的主要因素;采用适当的改性方法可以有效改善SMP材料的延伸性和多功能性,能够拓宽其在智能包装、航空航天、医疗器械和机器人等高科技领域的应用。
【文章来源】：包装工程. 2020,41(13)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
固定相和可逆相的分子结构
通过研究，普遍认为热致动型形状记忆材料的作用机理与聚合物的熔融温度或玻璃转化温度有着密切联系，见图2[12]。外力保持恒定，将温度降至聚合物的玻璃转化温度以下，聚合物在此刻因处于玻璃态而使其宏观的临时形状发生固定；当再次升温时，因温度超过其玻璃转化温度，聚合物内冻结的分子链能够自由运动，使得体系的熵增加，最终导致聚合物的宏观形状从临时形状向永久形状转变。电致动形状记忆材料是由热致动SMP与具有导电的物质（如导电的炭黑），经过复合制备形成电敏感结构。Lan等[13]分别研究了掺杂导电的纤维和纳米粉末的SMP的电阻率和电导率的相关变化。发现微米级镍粉在较弱的外电场下形成链条，可以显著增强其在链条方向的电导率。电致动记忆机理与热致动SMP极其相似，即导电物质可通过电流的焦耳效应来控制聚合物的温度，最终实现聚合物材料的形状记忆功能[14]。
自SMP开发以来，其最初被应用于薄膜和热收缩套管领域，见图3a，如先加热微交联的聚乙烯材料（PE）对套管进行管径尺寸的扩张，再利用其记忆性能对管径形状进行恢复，从而对动力和通讯电缆的接头起到较好的保护[34]。在此基础上，Wang等[35]将微型电路通过印刷的方式构建在碳纳米管/PS薄膜表面，利用电路中的焦耳效应来实现该材料的形状记忆行为，该方法也为后来柔性传感器、机器人的开发提供了参考。随着商业化的发展和人们需求多样化的增加，SMP在自动座椅、人工皮肤等领域都有了广泛的应用。目前，SMP在外科缝合、骨修复（图3b）等医学领域也有着较大的应用需求。尤其聚氨酯类SMP，因其具有优异的抗血栓能力和生物相容性，现已成为人造血管和隐形眼镜等领域的热门材料，如使用聚氨酯材料制备的耳蜗装置可实现100%的恢复和83%的形状压缩[36]。传统的外科缝合需要医生具备熟练的打结技术，如果打结力比较大，会造成周围组织坏死；若用较小的力量则会留下伤疤，因此，传统的缝合方式可能会导致伤口感染。最近的研究表明，基于可生物降解的SMP的外科缝合线可以提供稳定、均匀的恢复力[37]。除此之外，2002年Lendlein等利用聚氨酯的记忆性能制备出一种生物基外科缝合线。他们在其松弛状态对伤口进行单丝缝合，利用温度的变化诱导恢复力，从而实现伤口缝隙的自然闭合[38]。Morrison等[39]的研究是针对1岁以下婴儿患者的SMP器官支架，这种支架结构可以随着患者年龄长大而扩展，以适应气道的变化，直至婴儿成熟的气道能够独立工作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]形状记忆高分子材料的发展及应用概况[J]. 温红梅,修雪颖,和晗,吴婧华,鹿丽,管寒靖,夏琳. 特种橡胶制品. 2018(05)
[2]聚丁二酸丁二醇酯的改性研究进展[J]. 李泽天,张欣华,韩释剑,王静,高传慧. 石油化工高等学校学报. 2016(06)
[3]形状记忆材料研究综述[J]. 李敏,黎厚斌. 包装学报. 2014(04)
本文编号：3043804
【文章来源】：包装工程. 2020,41(13)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
固定相和可逆相的分子结构
通过研究，普遍认为热致动型形状记忆材料的作用机理与聚合物的熔融温度或玻璃转化温度有着密切联系，见图2[12]。外力保持恒定，将温度降至聚合物的玻璃转化温度以下，聚合物在此刻因处于玻璃态而使其宏观的临时形状发生固定；当再次升温时，因温度超过其玻璃转化温度，聚合物内冻结的分子链能够自由运动，使得体系的熵增加，最终导致聚合物的宏观形状从临时形状向永久形状转变。电致动形状记忆材料是由热致动SMP与具有导电的物质（如导电的炭黑），经过复合制备形成电敏感结构。Lan等[13]分别研究了掺杂导电的纤维和纳米粉末的SMP的电阻率和电导率的相关变化。发现微米级镍粉在较弱的外电场下形成链条，可以显著增强其在链条方向的电导率。电致动记忆机理与热致动SMP极其相似，即导电物质可通过电流的焦耳效应来控制聚合物的温度，最终实现聚合物材料的形状记忆功能[14]。
自SMP开发以来，其最初被应用于薄膜和热收缩套管领域，见图3a，如先加热微交联的聚乙烯材料（PE）对套管进行管径尺寸的扩张，再利用其记忆性能对管径形状进行恢复，从而对动力和通讯电缆的接头起到较好的保护[34]。在此基础上，Wang等[35]将微型电路通过印刷的方式构建在碳纳米管/PS薄膜表面，利用电路中的焦耳效应来实现该材料的形状记忆行为，该方法也为后来柔性传感器、机器人的开发提供了参考。随着商业化的发展和人们需求多样化的增加，SMP在自动座椅、人工皮肤等领域都有了广泛的应用。目前，SMP在外科缝合、骨修复（图3b）等医学领域也有着较大的应用需求。尤其聚氨酯类SMP，因其具有优异的抗血栓能力和生物相容性，现已成为人造血管和隐形眼镜等领域的热门材料，如使用聚氨酯材料制备的耳蜗装置可实现100%的恢复和83%的形状压缩[36]。传统的外科缝合需要医生具备熟练的打结技术，如果打结力比较大，会造成周围组织坏死；若用较小的力量则会留下伤疤，因此，传统的缝合方式可能会导致伤口感染。最近的研究表明，基于可生物降解的SMP的外科缝合线可以提供稳定、均匀的恢复力[37]。除此之外，2002年Lendlein等利用聚氨酯的记忆性能制备出一种生物基外科缝合线。他们在其松弛状态对伤口进行单丝缝合，利用温度的变化诱导恢复力，从而实现伤口缝隙的自然闭合[38]。Morrison等[39]的研究是针对1岁以下婴儿患者的SMP器官支架，这种支架结构可以随着患者年龄长大而扩展，以适应气道的变化，直至婴儿成熟的气道能够独立工作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]形状记忆高分子材料的发展及应用概况[J]. 温红梅,修雪颖,和晗,吴婧华,鹿丽,管寒靖,夏琳. 特种橡胶制品. 2018(05)
[2]聚丁二酸丁二醇酯的改性研究进展[J]. 李泽天,张欣华,韩释剑,王静,高传慧. 石油化工高等学校学报. 2016(06)
[3]形状记忆材料研究综述[J]. 李敏,黎厚斌. 包装学报. 2014(04)
本文编号：3043804
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