热致感应型形状记忆纤维与凝胶的制备及其性能研究

摘要

对形状记忆高分子材料的研究、开发与利用，近些年成为智能材料研究领域一个备受关注的课题，而其中热致感应型形状记忆高分子材料因其适用性广泛、响应条件易于调节、回复能力可控性比较强而成为这一研究领域重中之重。本文研究了热致感应型形状记忆纤维和凝胶的制备方法，进行了形状记忆性纤维的纺制和凝胶的合成，通过各种测试手段研究了纤维和凝胶的结构、热力学和动力学性能与形状记忆特性。 热致感应型高分子产生形状记忆功能要有两相结构：即结晶相和无定型相。这种两相结构经交联后产生能维持一定形态的硬段区(无定型区)和能可逆固化与软化的软段区(结晶区)，进而使高分子材料形成对初始形状的记忆功能。丙烯酸十八酯(SA)和丙烯酸(AA)的共聚物P(SA-co-AA)具有结晶相和无定型相，将其与聚乙烯醇(PVA)混合来纺丝，然后在凝固浴中引发交联，来制备形状记忆性功能纤维。本文首先合成了单体SA，然后将其与精制后的AA共聚制备了P(SA-co-AA)；再将合成共聚物与PVA按一定比例混合，利用凝胶化纺丝制得了形状记忆性初生纤维。利用正交实验分析，确定了较优的纺丝方案；通过粘度测试，考查了对原液粘度产生影响的几个重要因素；借鉴DSC和X-射线谱图，了解了纤维结晶熔融转变温度，明确了纤维大致结晶结构；用DMA分析，证实了纤维的杨氏模量可高达1010Pa，由材料形状记忆特性模量化理论得知合成纤维具备了良好的形状记忆功能；最后经过形状记忆回复比率和回复速率的测试，进一步验证了纤维对初始形状的记忆能力。 凝胶产生形状记忆功能同样也要有两相结构。单体SA含有长烷基侧链，容易形成片层结晶相；无毒性单体十一烯酸(HA)含有无定型相。本文通过交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，将两种单体交联共聚合成了凝胶P(SA-co-HA)。然而因为两种单体均是侧链较长的化合物，合成凝胶后脆性较大，虽然它们也能产生较高模量，但是由于缺乏弹性受力即易碎，因而表现不出良好的形状记忆性能。于是本文又选用了含侧链较短的第三单体丙烯酰胺(AM)，加入凝胶体系中来降低其脆性，增加共聚物大分子链间的抱合力。实验结果表明，第三单体的引入很好改善了凝胶的脆性，使弹性模量得到进一步提高，凝胶表现出良好的形状记忆特性。

目录

文摘

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学位论文的主要创新点

第一章绪论

1.1概述

1.1.1形状记忆高分子材料的概述

1.1.2形状记忆高分子材料的发展简史

1.1.3形状记忆高分子材料的分类及应用

1.1.4热致感应型高分子材料形状记忆性的制备方法

1.2热致感应型形状记忆凝胶的研究

1.3热致感应型形状记忆纤维的研究

1.3.1形状记忆纤维的后整理技术

1.3.2形状记忆纤维的直接生成技术

1.3.3形状记忆纤维的混纺技术

1.4本论文的设想和主要研究工作

1.4.1论文的构想

1.4.2主要研究工作

1.5本课题的创新点与研究意义

第二章理论基础

2.1高聚物热致感应形状记忆效应机理

2.2高聚物形状记忆效应

2.3高聚物的聚集态结构和记忆效应的关系

2.3.1无定型高聚物的形状记忆效应

2.3.2结晶高聚物的形状记忆效应

2.4高聚物记忆效应的热力学分析

2.5形状记忆效应的弹性模量化

2.6影响高聚物形状记忆效应的因素

2.6.1施加应力时速度的影响

2.6.2蠕变性能对记忆效应的影响

2.7形状记忆效应的表征和测量

2.7.1形变回复比率

2.7.2形变回复速率

2.7.3形变回复应力

2.7.4形变回复温度

2.7.5形变保持比率

第三章形状记忆纤维的制备及性能研究

3.1概述

3.2实验部分

3.2.1实验药品

3.2.2实验仪器

3.2.3 SA单体的制备

3.2.4 P(SA-co-AA)共聚物的合成

3.2.5形状记忆纤维的制备

3.2.6结构与性能的表征

3.3结果与讨论

3.3.1 SA单体的结构分析

3.3.2 P(SA-co-AA)共聚物的结构分析

3.3.3正交实验测试结果分析

3.3.4纺丝原液粘度的控制

3.3.5纤维的吸水性能研究

3.3.6纤维的热力学性能研究

3.3.7纤维的X-射线衍射谱图分析

3.3.8纤维的动力学性能研究

3.3.9纤维的SEM分析

3.3.10纤维形状记忆回复性能的研究

3.4本章结论

第四章形状记忆高分子凝胶的制备及性能研究

4.1概述

4.2实验部分

4.2.1实验药品

4.2.2实验仪器

4.2.3形状记忆凝胶的制备

4.2.4凝胶结构与性能的表征

4.3结果与讨论

4.3.1凝胶的结构研究

4.3.2各组份含量对凝胶溶胀率的影响

4.3.3交联剂含量对凝胶溶胀率的影响

4.3.4温度对凝胶溶胀率的影响

4.3.5凝胶的热力学性能研究

4.3.6.凝胶的X－射线衍射分析

4.3.7凝胶的动力学性能的研究

4.3.8凝胶形状记忆回复性能的研究

4.4本章结论

第五章总结论

5.1本论文的主要结论

5.2需要进一步研究的工作

参考文献

发表论文

致谢