刚柔结构形状记忆聚合物材料的制备及性能

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形状记忆聚合物(SMPs)是一类可固定一个或多个临时形状,并感应外场(如热、电、光、化学感应等)刺激回复至初始状态的智能高分子材料。由于形状记忆聚合物具有质量轻、成本低、加工工艺性好、形变量高等优点,形状记忆聚合物在生物医用、自修复、智能纺织、药物控释、航空航天等领域具有独特的运用价值。因此,新型形状记忆聚合物材料的研究,具有重要意义。本文制备了具有刚柔结构的形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂复合材料和多程形状记忆环氧树脂,并研究了材料结构对其性能的影响。具体研究内容如下:(1)通过两步法制备了末端具有吡啶环的聚氨酯(PTMGUs)。FTIR跟踪反应过程。TGA测试表征PTMGUs的耐热性,DSC测试确定聚氨酯的熔融温度为形状记忆响应温度。形状记忆循环拉力DMA测试表明:PTMGUs形状记忆性能的较好,当硬段质量分数为35%时,聚氨酯达到最大平均固定率为96.9%,平均回复率为99.5%。录像记录了聚氨酯60℃时形状回复过程,发现形状记忆聚氨酯在6 min都能回复至初始形态。(2)选取形状记忆固定率为94.7%,回复率为94.4%的环氧树脂EP5-60%为基体材料,掺杂改性纳米Fe3O4粒子,制得纳米Fe3O4/环氧树脂形状记忆复合材料。红外图谱和热失重曲线说明成功改性了纳米Fe3O4粒子。DSC测试确定热响应回复温度为80℃。拉伸实验表明,改性Fe3O4纳米粒子掺杂量为7wt%时,复合材料的最大拉伸强度为29 MPa,最大断裂伸长率为37.3%。弯曲回复测试表明,随改性Fe3O4纳米粒子含量增加,复合材料热响应形状记忆固定率和回复率都先升高后降低,当改性Fe3O4纳米粒子掺杂量为7wt%时,热响应形状记忆固定率(Rf)为99%,回复率(Rr)为97.9%。录像记录磁响应形状回复过程,发现当改性纳米Fe3O4粒子掺杂量为7wt%时,磁响应回复率为93.3%,继续增加改性纳米Fe3O4粒子含量,复合材料磁响应回复率虽略微增大,但复合材料的热响应形状记忆固定率和回复率减小,同时复合材料的力学性能也大幅降低。(3)将呋喃环引入环氧树脂的侧链,并通过1,8-双马来酰亚胺与呋喃环发生Diels-Alder反应,制得交联网络结构聚合物EP-DA。FTIR跟踪反应过程。TGA曲线表征聚合物耐热性能。DSC测试得出聚合物EP-DA-10%、EP-DA-20%和EP-DA-30%在低温区的玻璃化温度分别为46℃、42℃和31℃,DA正反应最佳温度均为78℃,DA逆反应的最佳温度分别为130℃、125℃及134℃,本文聚合物形状记忆回复温度选择60℃和90℃。(4)聚合物EP-DA单程形状记忆弯曲回复测试发现,随柔性链PEGDE含量增加,聚合物形状记忆固定率先增大后降低,回复率增加,在90℃下回复形变所需时间比60℃时回复形变所需时间短。双程形状记忆弯角回复测试过程表明,聚合物EP-DA-30%只需要320 s就能回复形变,而EP-DA-10%和EP-DA-20%则在460 s后才回复形变。形状记忆DMA拉力测试表明,聚合物具有多程形状记忆效应,聚合物柔性链PEGDE含量越高,相同外力作用下形变量越大,形变量越大聚合物的固定率和回复率越大。
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