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什么是形状记忆聚合物材料?

2023-11-27 10:57:01 SZKX 43

原创:CMF设计军团号 

文章开始前,我们先通过一个视频来直观感受一下什么是形状记忆~~



视频:形状记忆材料演示



      

 一、形状记忆聚合物材料及原理



形状记忆聚合物也叫SMP(shape memory polymer),是一种非常重要的智能材料。它可通过聚合物的常规制备方法获得初始形状(具有塑料成型特点)。在外部刺激条件(如温度)下,它可相应地改变形状(具有变形功能),去除刺激后,可固定其变形状态(具有定形功能)如果外界环境以特定的方式和规律再次发生变化,它们便可逆的恢复至起始状态(具有恢复功能)。


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图 材料变形及恢复过程


这种材质具有两相结构,即固定相和可逆相。其中固定相是指材料结构中可以记忆材料初始形状的成分,不受温度影响;而可逆相是指结构中随着温度的变化发生可逆软化和硬化的成分。当温度在转变温度以下时,分子链段处于冻结状态,材料形状固定不变;当温度在转变温度以上时,分子链段处于高弹状态,可在外力作用下发生伸展,或者在固定相作用下恢复至卷曲状态,材料在宏观上发生形状恢复行为。


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图 热致形状记忆聚合物的机理图



这种材料可以个性化变形、定形,目前创维,万魔、中兴等公司均已布局,联合供应商共同开发一些智能产品




 二、记忆聚合物材料有哪些种类?



按照材料的形式形态来划分,有形状记忆聚合物溶液、形状记忆聚合物粉料、形状记忆聚合物粒料、形状记忆聚合物线材、形状记忆聚合物泡沫、形状记忆聚合物膜等。

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图 代表性形状记忆聚合物材料


下面看一下形状记忆聚合物材料的具体分类及参数应用!(以康勋新材为




1. 聚氨酯形状记忆聚合物SMPU系列



采用聚酯二元醇和二异氰酸酯及扩链剂本体聚合,高温合成制备得到热塑性形状记忆聚氨酯聚合物;具有较好地形状记忆性能。采用DMF、THF等溶剂可溶解,升温250℃可以熔融。在玻璃转变温度以下具有较高的模量;在玻璃转变温度以上具有较低的弹性模量,模量比超过200倍。形状固定率优秀,形状恢复率高,温度容易调节,应用范围广。



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2. 环氧形状记忆聚合物



采用双官能度环氧树脂和扩链剂高温合成制备得到热塑性形状记忆环氧聚合物。具有较好地透明性和形状记忆性能。采用DMF、THF等溶剂可溶解,升温220℃可以熔融。在玻璃转变温度以下具有较高的模量;在玻璃转变温度以上具有较低的弹性模量,模量比超过500倍。形状固定率优秀,形状恢复率高。可配置形状记忆聚合物溶解应用于纺织复合、纸材复合溶解成膜、粘接复合等领域。



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3. 形状记忆聚氨酯复合物SMP-UL系列



本材料以形状记忆聚氨酯为原料,可与多种树脂复配获得良好的综合性能,具有较好的力学性能和加工性能,适应不同的应用需要。保持良好的形状记忆性能。成本较低,应用范围较广,可满足注塑、挤出、成膜等应用场景。



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4. 形状记忆聚酯复合物



采用PET、PBT、PCTG、PC等聚酯聚合物为原料,经复合改性,使具有较好的形状固定性能和形状恢复性能。根据应用需要可调节适当的形状回复温度。可熔融加工、注塑成型、拉丝、可用于4D打印线材、可纺丝、可成膜、可成片材。具有较好的低温强度和韧性。材料为透明或半透明。可应用于玩具、日用品、工程应用、包装片材及膜材等。环保,符合FDA认证要求,可应用于智能医疗器件、健康防护等领域。

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5. 形状记忆聚烯烃复合物



以PE共聚物,PS共聚物,coc等为原料,经复合改性,使具有较好的形状固定性能和形状恢复性能。根据应用需要可调节适当的形状回复温度。复合材料可注塑成型、也可拉丝成各线径的线材,能应用纺丝等。柔软度易调控,有韧性,可辐射交联获得持久的形状记忆效果。广泛应用于热收缩套管、玩具产品、日用产品、工程应用、智能医疗器件、健康防护等领域。



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6. 形状记忆生物降解材料



以PLA、PCL、PBAT为原料,经复合改性,使具有较好的形状固定性能和形状恢复性能。根据应用需要可调节适当的形状回复温度。复合材料可注塑成型、也可拉丝成各线径的线材。符合生物降解材料要求,可生物降解。可应用于玩具产品、日用产品、工程应用、包装片材及膜材。环保,符合FDA认证要求,可应用于智能医疗器件、健康防护等领域。
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7. 形状记忆聚合物4D打印耗材



智能材料与3D打印技术结合发展得到4D打印技术;4D打印赋予产品具有自组装和自变形功能特性,表现出随着时间而自动变化三维形状。4D打印是一项革命性增材制造技术。形状记忆聚合物40打印耗材可匹配常规3D打印设备,具有良好的打印效果。经温度刺激后,产品可以任意变形为其他形状,在常温状态下,可持续保持,再次受到温度剌激,可以自动恢复初始形状或自动组装特定产品。可被广泛应用于个性化定制产品,智能医疗器件、自组装构建和复杂手板产品设计等。




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 三、材料可应用领域有哪些 



形状记忆聚合物的应用十分广泛,涉及航空航天、医疗保健、纺织服装、玩具科教、工程应用、汽车、电子电气、包装应用、增材制造、建筑等各个领域。比如采用形状记忆聚合物水溶液配制的形状记忆熨烫宝解决服装熨烫的烦脑。形状记忆聚合物4D打印耗材可适应常规FDM 3D打印设备,赋予材料和产品具有自我组装,自我变形功能。可以应用于手扳样品制作、个性化适应制品、大尺寸自组装器件等应用场景,特别是在在医疗护具、玩具、服装、鞋业、军事、汽车、动画等领域具有重要应用前景。

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图 形状记忆聚合物材料的代表性应用



本文是笔者在深圳康勋记忆材料有限公司陈博士/教授指导下完成。这家公司依托深圳大学的科技成果转化,专注于形状记忆聚合物材料及其智能产品的研发与推广应用。可提供配套材料供应、联合研发等服务。有想结识这家公司及深度了解这种记忆材料的朋友可以加笔者微信18565727094


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