【摘 要】
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形状记忆聚合物(SMPs)作为常见的智能材料可以感知外界刺激并作出响应,在起始形状和临时形状间进行切换。根据形状记忆过程是否可逆,可以分为单向SMPs(1W-SMPs)和双向SMPs(2W-SMPs),2W-SMPs在形状记忆循环中仅需要一次赋形后就可实现形状的可逆变换,在传感器、致动器、人工肌肉、智能织物、4D打印、表面微结构控制等领域有着极大的应用潜力。目前,2W-SMPs的驱动方式主要以热响
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形状记忆聚合物(SMPs)作为常见的智能材料可以感知外界刺激并作出响应,在起始形状和临时形状间进行切换。根据形状记忆过程是否可逆,可以分为单向SMPs(1W-SMPs)和双向SMPs(2W-SMPs),2W-SMPs在形状记忆循环中仅需要一次赋形后就可实现形状的可逆变换,在传感器、致动器、人工肌肉、智能织物、4D打印、表面微结构控制等领域有着极大的应用潜力。目前,2W-SMPs的驱动方式主要以热响应为主,其形状记忆过程中微观结构演变的研究非常有限。间接刺激的驱动方式可以使2W-SMPs在一些特殊环境中发挥作用,如太空、人体等,这对探索2W-SMPs的应用非常重要。此外,三重SMPs具有两个临时形状,有利于复杂形状的变换,但已开发的三重SMPs基本上只具备单向形状记忆效应,缺少对三重2W-SMPs的系统研究。本文基于一种商业级乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)制备了一系列具有可逆双向形状记忆效应的交联复合体系,通过系列表征和分析,探究了可逆双向形状记忆过程中微观结构演变,探索了2W-SMPs的潜在应用,为新型2W-SMPs的开发提供了新思路。本文的研究内容和结论如下:(1)双向形状记忆EVA交联网络的结构和性能研究以EVA为原料,成功制备了具有可逆双向形状记忆效应的交联EVA网络。原位广角X射线散射结果表明,可逆双向形状过程中的微观结构演变是可重复的。当加热到Thigh时,部分晶体熔化导致收缩,再次降温到Tlow时,未熔融的晶体提供了各向异性骨架,使已熔融分子链取向重结晶诱导应变伸长。此外,随着Thigh的升高,残余晶体比()逐渐减小,响应程度呈现先增大后减小的趋势,残余晶体比仅为0.39%(Thigh=80℃)时,可逆双向形状记忆效应仍然存在。由于其优异的可逆双向形状记忆效应,交联EVA样品在智能抓手等领域具有应用潜力。(2)光热双响应形状记忆EVA/MoO2复合材料的性能和应用通过在具有可逆双向形状记忆效应的交联EVA网络中引入极少量的二维MoO2纳米片(2D-MoO2),制备了光/热双响应形状记忆EVA/MoO2复合材料。当2D-MoO2含量仅为0.2 wt%时,EVA/MoO2复合材料就表现出优异的光热转化能力(120 s内升温到125℃)、光热稳定性及近红外光响应可逆双向形状记忆效应。基于该复合材料设计了一种光响应智能开关,可应用到传感器领域;基于光响应式可逆双向SMPs的优点,将复合材料设计成一种完全柔性、无燃料的自走软体机器人,可以在20 min内向前行进8.8 cm;该复合材料作为光驱动轻型起重机能够提起自身重量3846倍的重物。(3)三重形状记忆EVA/PCL交联体系的结构和性能研究采用熔融共混的方式制备了形状记忆EVA/PCL交联共混物,其相分离结构受共混比例的影响,呈现出典型的海岛结构和双连续结构。EVA/PCL交联共混物不但展现出极佳的三重单向和准双向形状记忆效应,同时还具备可逆双向形状记忆效应,在形状记忆过程中,可以明显观察到分别由EVA和PCL引起的结晶诱导伸长和熔融诱导收缩现象。通过改变EVA和PCL的比例可以控制共混物的相分离结构,进而调控可逆双向形状记忆性能,当EVA质量分数高于50%时,共混物在47℃和70℃下均具备可逆双向形状记忆效应。
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