蘭州化物所實現熱固性形狀記憶聚合物形狀重構

2020-12-01 中國科學院

　　形狀記憶聚合物(shape memory polymer, SMP)是一種在一定條件下能夠固定暫時形狀並且在外界刺激下能夠恢復到初始形狀的智能材料，在柔性電子器件、生物醫學以及航空航天等領域應用前景廣泛。熱固性形狀記憶聚合物作為形狀記憶聚合物的重要組成部分，與熱塑性形狀記憶聚合物相比，具有優異的穩定性和形狀記憶性能。然而，熱固性聚合物一旦交聯固化成型其形狀無法改變，即形狀記憶聚合物的原始形變無法再改變，從而限制了其應用。

　　中國科學院蘭州化學物理研究所研究員王齊華帶領的團隊通過在熱固性聚合物中引入動態共價自適應網絡（Covalent adaptable network，CAN），實現了熱固性形狀記憶環氧樹脂的原始形狀重構。動態共價鍵自適應的網絡結構在一定的熱或光等的刺激下能夠發生共價鍵的交換反應，因此可以實現熱固性聚合物的焊接、再加工等性能。

　　研究人員在環氧樹脂中引入溫度誘發的、具有酯交換性能的動態共價鍵，在酯交換反應溫度下改變性狀並保持一定時間，隨後藉助動態酯交換反應實現應力完全鬆弛，從而產生新的形狀。定性和定量的表徵都表明原始性狀和再重構的形狀都具有優異的形狀記憶性能。此外，由於環氧樹脂較脆，通過引入增強性的石墨烯很好地改善了環氧的力學性能，為獲得較大形變的形狀記憶及重構性能提供了保障。同時石墨烯作為很好的光熱轉換材料能夠將紅外光轉換為熱能，因此也實現了紅外光引發的形狀恢復。

　　該形狀可重構的形狀記憶聚合物的製備有望為熱固性形狀記憶聚合物的再加工、自修復以及形狀重構提供新的思路，同時也拓寬了熱固性形狀記憶聚合物材料的應用範圍。

　　以上工作得到了國家重點基礎研究發展計劃（「973」計劃）、中科院國防創新基金和國家自然科學基金的資助。相關結果發表在美國化學學會《應用材料和界面》（ACS applied materials & interfaces 2016, 8 (33), 21691-21699）上。

 

形狀記憶及形狀再塑示意圖 

　　形狀記憶聚合物(shape memory polymer, SMP)是一種在一定條件下能夠固定暫時形狀並且在外界刺激下能夠恢復到初始形狀的智能材料，在柔性電子器件、生物醫學以及航空航天等領域應用前景廣泛。熱固性形狀記憶聚合物作為形狀記憶聚合物的重要組成部分，與熱塑性形狀記憶聚合物相比，具有優異的穩定性和形狀記憶性能。然而，熱固性聚合物一旦交聯固化成型其形狀無法改變，即形狀記憶聚合物的原始形變無法再改變，從而限制了其應用。
　　中國科學院蘭州化學物理研究所研究員王齊華帶領的團隊通過在熱固性聚合物中引入動態共價自適應網絡（Covalent adaptable network，CAN），實現了熱固性形狀記憶環氧樹脂的原始形狀重構。動態共價鍵自適應的網絡結構在一定的熱或光等的刺激下能夠發生共價鍵的交換反應，因此可以實現熱固性聚合物的焊接、再加工等性能。
　　研究人員在環氧樹脂中引入溫度誘發的、具有酯交換性能的動態共價鍵，在酯交換反應溫度下改變性狀並保持一定時間，隨後藉助動態酯交換反應實現應力完全鬆弛，從而產生新的形狀。定性和定量的表徵都表明原始性狀和再重構的形狀都具有優異的形狀記憶性能。此外，由於環氧樹脂較脆，通過引入增強性的石墨烯很好地改善了環氧的力學性能，為獲得較大形變的形狀記憶及重構性能提供了保障。同時石墨烯作為很好的光熱轉換材料能夠將紅外光轉換為熱能，因此也實現了紅外光引發的形狀恢復。
　　該形狀可重構的形狀記憶聚合物的製備有望為熱固性形狀記憶聚合物的再加工、自修復以及形狀重構提供新的思路，同時也拓寬了熱固性形狀記憶聚合物材料的應用範圍。
　　以上工作得到了國家重點基礎研究發展計劃（「973」計劃）、中科院國防創新基金和國家自然科學基金的資助。相關結果發表在美國化學學會《應用材料和界面》（ACS applied materials & interfaces 2016, 8 (33), 21691-21699）上。
 
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