[發(fā)明專利]一種可調(diào)的熱塑性多重形狀記憶復(fù)合材料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310137972.0
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN103265786A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮嘉春;張卿隆
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: C08L53/02
• 分類號: C08L53/02;C08L75/04;C08K5/01;C08K5/09;C08K5/17
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于記憶材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以熱塑性彈性體為基體，以兩種以上熔點(diǎn)相差較大的結(jié)晶小分子為開關(guān)的多重形狀記憶材料，該改性材料至少由以下兩種組分組成：聚合物基體、小分子結(jié)晶物質(zhì)，也可含有其它組分。該材料的特點(diǎn)在于由聚合物基體確定永久形狀，由小分子結(jié)晶物質(zhì)控制形狀變化，轉(zhuǎn)變溫度在一定溫度范圍內(nèi)可自由調(diào)控，并可實(shí)現(xiàn)多重的形狀記憶效應(yīng)。

背景技術(shù)

形狀記憶材料是一種非常重要的智能材料，它具有感知某些外界環(huán)境變化的能力，這種具有響應(yīng)能力的材料被廣泛應(yīng)用在智能材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。對已定型的形狀記憶材料，在某些特定的環(huán)境條件下(如加熱、光照或電磁場誘導(dǎo)作用等)，形狀記憶材料的物理參數(shù)(如形狀、體積或應(yīng)變等)會進(jìn)行自動調(diào)整；當(dāng)撤除或改變環(huán)境因素，這種調(diào)整后的狀態(tài)可以被保持；然而再次對形狀記憶材料施加這些特定的環(huán)境條件，它又可以回復(fù)或恢復(fù)其初始狀態(tài)。首先發(fā)現(xiàn)形狀記憶特性的是形狀記憶合金：1931年，金-鎘合金被發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)，1962年，最重要的且目前應(yīng)用最廣泛的鎳-鈦形狀記憶合金被發(fā)現(xiàn)。目前形狀記憶合金的范圍已經(jīng)擴(kuò)展到固體、膜甚至是泡沫。形狀記憶聚合物的發(fā)現(xiàn)則較晚，1981年Ota發(fā)現(xiàn)輻射交聯(lián)的聚乙烯具有形狀記憶特性，此后聚氨酯、環(huán)氧樹脂等聚合物也相繼被發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶能力。目前形狀記憶聚合物在包裝材料、紡織工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物在一次測試循環(huán)中只能記憶一個暫時形狀，在某些領(lǐng)域中，此類聚合物已經(jīng)無法滿足特殊應(yīng)用的需要，在這種情況下多重形狀記憶聚合物應(yīng)運(yùn)而生。多重形狀記憶聚合物是指在一次測試循環(huán)中可以記憶一個以上暫時形狀的材料，目前研究最多的是三重形狀記憶聚合物，即一次循環(huán)可以記憶兩個暫時形狀的材料。這類材料由Bellin在2006年首次報(bào)道，Bellin發(fā)現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)中兩個離散的熱轉(zhuǎn)變可以在一個測試循環(huán)過程中分別固定兩個暫時形狀，即三重形狀記憶效應(yīng)。此發(fā)現(xiàn)為多重形狀記憶的深入研究奠定了基礎(chǔ)。盡管相比傳統(tǒng)的形狀記憶材料，三重形狀記憶聚合物僅能多記憶一個暫時形狀，但它為一些技術(shù)的發(fā)展起到了潛在的推動作用，具有重要意義。但是由于多重形狀記憶需要材料具備更多的離散熱轉(zhuǎn)變，而每個熱轉(zhuǎn)變又對應(yīng)不同的化學(xué)組分，這就讓制備三重以上的形狀記憶聚合物變得十分困難。

Xie發(fā)現(xiàn)一種具有很寬玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的全氟磺酸樹脂(Nafion)表現(xiàn)出三重、四重甚至更多重的形狀記憶能力，并且它的多種記憶效應(yīng)可以在玻璃化轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)任意間隔足夠大的溫度下實(shí)現(xiàn)。這與傳統(tǒng)的三重形狀記憶聚合物表現(xiàn)出很大差別，后者固定溫度與回復(fù)溫度均由可逆相的熱轉(zhuǎn)變溫度決定，無法在不改變化學(xué)組分的前提下實(shí)現(xiàn)調(diào)控。Nafion表現(xiàn)出的這種形狀記憶現(xiàn)象被稱為可調(diào)形狀記憶效應(yīng)，它為多重形狀記憶材料的制備提供了一個簡便易行新的思路，也為形狀記憶聚合物的整體發(fā)展指出了一個新的方向。但是具備此種熱力學(xué)性質(zhì)的單一聚合物種類很少，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本專利報(bào)道的方法首次利用相容性較好的結(jié)晶小分子與聚合物基體來構(gòu)建此類形狀記憶復(fù)合物，通過向聚合物集體中加入兩種以上但熔點(diǎn)相差較大的結(jié)晶小分子，比如不同熔點(diǎn)的石蠟，具有不同長度脂肪鏈的脂肪酸、脂肪胺等，來得到溫度范圍較寬的結(jié)晶熔融轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)的形狀記憶效應(yīng)。此方法優(yōu)點(diǎn)在于制備過程與加工過程簡單，原料靈活性很大，可選擇的原料種類廣泛，并且可選用廉價(jià)的已大規(guī)模生產(chǎn)的原料來進(jìn)行制備，最終得到的熱塑性形狀記憶材料成本可以很低。由于已規(guī)模化生產(chǎn)的熱塑性彈性體其加工成型方法往往很成熟，所以此類形狀記憶復(fù)合物具備大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。對于彈性體和小分子種類確定的復(fù)合物，兩者的比例可調(diào)性很大，材料整體的力學(xué)性質(zhì)，包括斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度等，以及形狀記憶性質(zhì)都會隨原料比例的改變呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化，從而可以通過改變質(zhì)量比得到最優(yōu)化的力學(xué)以及形狀記憶性質(zhì)。這種對形狀記憶效應(yīng)與相應(yīng)各項(xiàng)性質(zhì)雙重可控的多形狀記憶聚合物，有可能為形狀記憶材料的應(yīng)用提供一個新的思路與方向。

發(fā)明內(nèi)容

本專利所提出的可調(diào)的熱塑性多重形狀記憶復(fù)合材料，具體涉及一種以熱塑性彈性體為基體，以兩種或兩種以上小分子結(jié)晶物質(zhì)為開關(guān)的多重形狀記憶材料，具體由以下至少兩類組分組成：聚合物基體、兩種或兩種以上小分子結(jié)晶物質(zhì)，也可含有其它組分。該材料的特點(diǎn)在于由聚合物基體確定永久形狀，由小分子結(jié)晶物質(zhì)控制形狀變化，轉(zhuǎn)變溫度在一定溫度范圍內(nèi)可自由調(diào)控，并可實(shí)現(xiàn)多重的形狀記憶效應(yīng)。