水發泡的聚氨酯彈性體,是如何實現形狀記憶功能的?

2020-12-23 奇化資訊

發泡劑在聚氨酯材料的生產中一直是個讓人頭疼的問題。水作為化學發泡劑是最環保的，但是材料的性能難以提升，而且生產的難度更大。各種滷代烴作為發泡劑可顯著提升材料性能，相應的生產技術已經比較成熟，但是它們要麼容易破壞臭氧層，要麼價格相對高昂。戊烷是一種兼顧了環保和材料性能的發泡劑，但是它們卻不夠安全，易燃易爆性制約了它們在實際生產中的推廣，也同樣提高了聚氨酯材料的生產成本和進入門檻。

由於材料性能要求不同，聚氨酯硬泡中全水發泡的技術難以推廣，但是彈性體中的應用卻並不少見。彈性體的形狀記憶功能賦予了其實現宏觀彈性性能。而形狀記憶功能的與水發泡有什麼聯繫呢？小編找到了德國赫姆霍茲吉斯塔研究中心（Helmholtz-Zentrum Geesthacht）Lendlein教授發表的一篇論文。這篇論文詳細論述了水發泡的聚氨酯彈性體的形狀記憶原理。

這項研究中，技術人員選用了CAPA 2205、CAPA 2402和CAPA 2803這三種牌號的聚己內酯，二乙醇胺作為擴鏈劑、Dabco BLV（三乙烯二胺：雙二甲胺基乙基醚為3:1的混合催化劑）和Dabco T-9（辛酸亞錫）作為催化劑與MDI反應。水作為化學發泡劑添加量為1 pphp。通過配方調試，材料製備，材料表徵到材料物理性能檢測，技術人員提出了這種聚氨酯彈性體的形變機理。宏觀上，聚氨酯彈性體材料表現出應力延展性和負熱膨脹性。微觀形貌的變化主要是泡孔受應力或在低溫下可被擴大。而在納米尺度下，材料受熱或在拉伸的情況下結晶度都會下降，同時材料不受力時結晶度下降可導致材料密度下降而體積增大。然而這種彈性體材料的高結晶性很可能收益於水發泡的生產工藝，因為水發泡的聚氨酯中的脲基含量比物理髮泡的材料中的高不少，而脲基可形成的氫鍵更多所以比氨基甲酸酯基的結晶性高，並且表現出更加明顯的可逆低溫結晶性。所以，本質上是水發泡賦予了這種聚氨酯材料良好的可逆的負熱膨脹性，就是這種材料形狀記憶性能的原理之一。

圖1. 聚氨酯彈性體的形狀記憶機理圖

材料形變的機理是如此簡單清晰，但是這能指導哪些實際應用呢？文章作者給出了一個有趣的例子。當材料為U形的塊材時，根據機理推斷，材料受熱則開口角度變大，受冷則開口角度變小（圖2）。最後，他們也用試驗證明了這種推斷（圖3）。他們製成的有缺口的圓柱狀塊材在高溫時缺口變大，而在低溫時缺口變小，而且這種溫控形變是可逆的。

圖2.U形塊材的溫控形變示意圖
圖3. U形塊材的溫控形變照片

這種材料以及這種形變的機理在實際中可能會有哪些應用呢？也許智能溫控閥是一個可能的應用領域，這種聚氨酯的彈性體可以通過封堵低溫流體而放行高溫流體來實現溫控開關功能。而智能溫控閥不但在自動化生產中有較多的應用，還可用於智能防護等領域。這種材料還可能有哪些應用呢？這是值得聚氨酯材料人思考的一個問題

作者 | 奇化-PU君

編輯 | hyunko

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