形狀記憶高分子材料的研究

趙麗娟，龔占魁，李亞玲，魏小赟

(蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060)

材料、信息和能源作為現代社會發展的三大支柱產業在促進經濟發展、豐富人類生活中起到了重要的作用。其中，材料中形狀記憶高分子材料的更是由于其獨特的性能成為了工農業、國防、醫療等領域的重要材料。

1 形狀記憶高分子材料(SMMs)的分類

形狀記憶材料是一種智能材料[1]，這類材料通過感知環境變化后，對其形狀、位置、應變等力學參數進行調整，最后能夠恢復到初始狀態。目前，備受研究人員關注的是形狀記憶材料中形狀記憶高分子材料，這類材料最早是由Mather在1940提出的，當時Mather 稱其為“彈性記憶”[2]。形狀記憶高分子材料被發現后的應用非常有限，直到 20 世紀末研究人員發現具有形狀記憶功能的聚氨酯材料后，形狀記憶高分子材料開始備受關注[3]。目前，這類物質由于獨特的記憶功能成為了在形狀記憶合金后的又一熱點研究領域。形狀記憶高分子材料根據其形狀回復原理可分為熱致感應型、電致感應型、化學響應型和光致感應型四類。

(1)熱致感應型：這類形狀記憶高分子材料是通過改變溫度來使其變形，并且能保持固定形變在室溫長期存放，如果再將溫度升至另一響應溫度時,就會很快回復到初始的形狀。

(2)電致感應型：這類形狀記憶高分子材料是把熱致感應型材料和具有導電性能的物質進行復合后得到的一種物質。故其記憶機理與熱致型類似，只是它是借助電流變化產生的熱量使溫度改變，從而使其發生形變。所以這類材料既具有導電性能，又具有良好的形狀記憶功能。

(3)化學響應型：這類形狀記憶高分子材料是通過改變材料的物理條件或通過發生化學變化來激發材料變形和形狀回復。例如可以通過改變pH值、離子置換、氧化還原等方法進行。

(4)光致感應型：這類形狀記憶高分子材料材料在其主鏈或側鏈中引入一些特定的光致變色基團(PCG)后通過光照射，使光致變色基團發生光異構化反應后變形，當光照停止時，光致變色基團發生可逆的光異構化反應回復形狀。

2 形狀記憶原理研究

結合形狀記憶材料的形狀恢復形式可以大致將記憶效應分為三種，即不可逆形狀記憶效應，可逆形狀記憶效應，全程形狀記憶效應。下面重點研究熱致感應型和化學響應型的形狀記憶原理

2.1 熱致感應型的形狀記憶原理

圖1 熱致感應型的形狀記憶原理

日本的石田正雄認為，這類記憶材料可看成具有記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化的可逆相兩相。該類高分子材料的形變及回復過程可分為以下幾個步驟：(1)具有一定初始形狀的材料加熱到玻璃化轉變溫度以上，外力作用使其發生形變；(2)快速冷卻至玻璃化轉變溫度以下，除去外力，形變被凍結，得到臨時形狀；(3)加熱到玻璃化轉變溫度以上，材料回復到初始形狀。見圖1。

2.2 化學響應型形狀記憶原理

化學響應型記憶高分子材料通過引入特定的溶劑后如果使分子鏈間的作用力削弱，使分子鏈的運動性增強這種作用原理稱為塑化作用原理[4]，如果通過加入溶劑使形狀記憶高分子材料溶脹后體積增大，這樣就能會增加分子鏈的運動能力和柔順性，從而使其玻璃化轉變溫度降低[5]這種作用原理稱為溶脹原理[6]。如果加入特定溶劑后會讓形狀記憶高分子材料中的轉變相發生溶解，產生的驅動力會使彈性相中的彈性能得到釋放這種作用原理稱為塑化稱為轉變相溶解回復原理。當然，記憶高分子材料中特定基團在某種值下經過去質子化作用降低材料內部的鏈段柔性，從而使材料形變得到固定；當pH值發生變化，質子化作用重新激活鏈段柔性，記憶高分子材料就會從臨時形狀回復到初始狀態，這種作用原理稱為pH值回復原理。

3 形狀記憶高分子材料的應用

形狀記憶高分子材料發展到今天，它在航天、生物醫藥、紡織、航天、傳感制動等領域展示了優越的性能，投身此領域的研究人員越來越多。未來對于形狀記憶材料在分子設計、形狀恢復精度控制等方面的研究將會成為熱點。