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苯乙烯形状记忆聚合物及其光、磁驱动特性的研究

张大伟  
【摘要】:热致形状记忆聚合物是一种新型的智能材料,预变形过程中需要使用直接作用于其上的接触式外力,使其发生变形;形状回复过程中通常需要使用热介质—热空气或热液—驱动其回复初始形状。这种变形方式和回复方式在实施过程中存在许多不便之处,而且对周围环境影响大,驱动效率低。 本文采用自由基共聚合法制备了一系列的苯乙烯形状记忆聚合物,测试和分析了苯乙烯形状记忆聚合物的性能;研究了苯乙烯形状记忆聚合物的红外激光驱动方式以及磁场作用下的非接触式预变形方式。 首先,采用自由基共聚法制备了一系列苯乙烯形状记忆聚合物,通过控制共聚单体含量和交联剂用量赋予苯乙烯形状记忆不同的力学性能、热性能及记忆特性。研究发现制备的苯乙烯形状记忆聚合物为非晶态聚合物,具有可控的玻璃化转变温度和较高的热分解温度;并表现出良好的力学性能和优异的形状记忆性能。当驱动温度等于或大于其玻璃化转变温度时,苯乙烯形状记忆聚合物的形状回复率大于95%,而且形状回复迅速。其中交联剂含量为2%,共聚单体含量为25%的材料综合性能最好。从活化能的角度对形状记忆聚合物的回复速率随温度升高而加速的现象进行了分析,运用阿伦尼乌斯公式从理论上进行了验证,发现结果与理论分析基本吻合。借助橡胶弹性理论分析了交联剂用量与苯乙烯形状记忆聚合物回复速率之间的相互关系。 其次,对苯乙烯形状记忆聚合物的耐γ-射线辐照性能进行了深入研究。发现γ-射线辐照剂量为1×10~5Gy时,苯乙烯形状记忆聚合物的热性能、动态力学性能和热稳定性都有所提高;辐照剂量增加到1×10~6Gy时,苯乙烯形状记忆聚合物的化学组成不变,但交联密度降低,材料的动态力学性能、玻璃化转变温度、静态力学性能和形状记忆行为变化不明显;辐照剂量增加到5×10~6Gy后,聚合物玻璃化转变温度、热稳定性和动态力学性能急剧下降。据此,苯乙烯形状记忆聚合物能承受1×10~6Gy的γ-射线辐照。进一步研究表明,聚合物的耐辐照性能随交联剂用量增加而提高;相同交联剂用量时,随共聚单体含量的增加而降低。 最后,研究了苯乙烯形状记忆聚合物的光驱动和磁场驱动。光驱动方面,通过对三种光纤传光驱动的研究,发现表面处理过光纤作为光能传播通道的方式驱动效率最高。表面处理的光纤埋覆在形状记忆聚合物中,把驱动光定向、定点地传输到指定位置,驱动该处形状记忆聚合物回复初始形状,这种驱动方式效率高、能量损耗少、对周围环境影响小、传输距离远且抗干扰能力强。磁驱动方面,镍粉填充的苯乙烯形状记忆复合材料具有良好的磁场响应特性,可以在磁场作用下进行材料的预变形与形状固定,再由热驱动复合材料回复初始形状,完成一个记忆循环。通过磁场的反复开闭,可实现复合材料的双向驱动。研究中还发现,只有填充表面处理过镍粉的复合材料才对磁场做出响应,而且响应速率与镍粉的添加量成反比。这点从处理前后镍粉表面的X-光电子能谱分析(XPS)以及复合材料的动态力学分析结果得到了解释。XPS分析表明,镍粉表面处理后,其上化学吸附了偶联剂分子;在树脂固化的过程中,偶联剂分子与树脂基体发生化学反应形成化学键,通过化学键将聚合物与镍粉形成紧密联系的整体,镍粉在聚合物中作为新的交联点存在,提高了材料的强度和玻璃化转变温度,而动态力学分析结果验证了这一点。因而磁场作用下镍粉的运动可以带动聚合物移动;相同温度下,玻璃化转变温度高的聚合物链段运动能力差,需要更长的时间才能与外力相平衡。


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