形状记忆高分子材料的研究

赵丽娟，龚占魁，李亚玲，魏小赟

(兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060)

材料、信息和能源作为现代社会发展的三大支柱产业在促进经济发展、丰富人类生活中起到了重要的作用。其中，材料中形状记忆高分子材料的更是由于其独特的性能成为了工农业、国防、医疗等领域的重要材料。

1 形状记忆高分子材料(SMMs)的分类

形状记忆材料是一种智能材料[1]，这类材料通过感知环境变化后，对其形状、位置、应变等力学参数进行调整，最后能够恢复到初始状态。目前，备受研究人员关注的是形状记忆材料中形状记忆高分子材料，这类材料最早是由Mather在1940提出的，当时Mather 称其为“弹性记忆”[2]。形状记忆高分子材料被发现后的应用非常有限，直到 20 世纪末研究人员发现具有形状记忆功能的聚氨酯材料后，形状记忆高分子材料开始备受关注[3]。目前，这类物质由于独特的记忆功能成为了在形状记忆合金后的又一热点研究领域。形状记忆高分子材料根据其形状回复原理可分为热致感应型、电致感应型、化学响应型和光致感应型四类。

(1)热致感应型：这类形状记忆高分子材料是通过改变温度来使其变形，并且能保持固定形变在室温长期存放，如果再将温度升至另一响应温度时,就会很快回复到初始的形状。

(2)电致感应型：这类形状记忆高分子材料是把热致感应型材料和具有导电性能的物质进行复合后得到的一种物质。故其记忆机理与热致型类似，只是它是借助电流变化产生的热量使温度改变，从而使其发生形变。所以这类材料既具有导电性能，又具有良好的形状记忆功能。

(3)化学响应型：这类形状记忆高分子材料是通过改变材料的物理条件或通过发生化学变化来激发材料变形和形状回复。例如可以通过改变pH值、离子置换、氧化还原等方法进行。

(4)光致感应型：这类形状记忆高分子材料材料在其主链或侧链中引入一些特定的光致变色基团(PCG)后通过光照射，使光致变色基团发生光异构化反应后变形，当光照停止时，光致变色基团发生可逆的光异构化反应回复形状。

2 形状记忆原理研究

结合形状记忆材料的形状恢复形式可以大致将记忆效应分为三种，即不可逆形状记忆效应，可逆形状记忆效应，全程形状记忆效应。下面重点研究热致感应型和化学响应型的形状记忆原理

2.1 热致感应型的形状记忆原理

图1 热致感应型的形状记忆原理

日本的石田正雄认为，这类记忆材料可看成具有记忆起始形状的固定相和随温度变化的可逆相两相。该类高分子材料的形变及回复过程可分为以下几个步骤：(1)具有一定初始形状的材料加热到玻璃化转变温度以上，外力作用使其发生形变；(2)快速冷却至玻璃化转变温度以下，除去外力，形变被冻结，得到临时形状；(3)加热到玻璃化转变温度以上，材料回复到初始形状。见图1。

2.2 化学响应型形状记忆原理

化学响应型记忆高分子材料通过引入特定的溶剂后如果使分子链间的作用力削弱，使分子链的运动性增强这种作用原理称为塑化作用原理[4]，如果通过加入溶剂使形状记忆高分子材料溶胀后体积增大，这样就能会增加分子链的运动能力和柔顺性，从而使其玻璃化转变温度降低[5]这种作用原理称为溶胀原理[6]。如果加入特定溶剂后会让形状记忆高分子材料中的转变相发生溶解，产生的驱动力会使弹性相中的弹性能得到释放这种作用原理称为塑化称为转变相溶解回复原理。当然，记忆高分子材料中特定基团在某种值下经过去质子化作用降低材料内部的链段柔性，从而使材料形变得到固定；当pH值发生变化，质子化作用重新激活链段柔性，记忆高分子材料就会从临时形状回复到初始状态，这种作用原理称为pH值回复原理。

3 形状记忆高分子材料的应用

形状记忆高分子材料发展到今天，它在航天、生物医药、纺织、航天、传感制动等领域展示了优越的性能，投身此领域的研究人员越来越多。未来对于形状记忆材料在分子设计、形状恢复精度控制等方面的研究将会成为热点。