双向形状记忆聚合物及其复合材料的开发与应用

摘要

形状记忆聚合物（Shape memory polymer,SMP）在受到特定的外界刺激后，能由预先固定的临时形状主动回复至初始的永久形状。凭借这一特性，形状记忆聚合物已在航空航天、生物医学等高新领域得到了广泛应用。传统的单向形状记忆聚合物(One-way shape memory polymer，1W-SMP)经赋形（Programming）后可固定一个临时形状，在回复至永久形状后，不经再次赋形则无法主动变回临时形状，其形状记忆过程近似为“一次性”过程。与此不同，双向形状记忆聚合物（Two-way shape memory polymer，2W-SMP）经一次赋形后，可在两个形状间进行多次可逆的形状变化，相比单向SMP，双向SMP使用更为方便可靠。因此，对双向SMP的研究有助于进一步开拓SMP的实际应用。
　　本文选用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)为原料，以过氧化二异丙苯(DCP)为交联剂，采用热交联工艺，成功制备了双向形状记忆EVA。通过调整DCP的添加量发现，只有DCP加入量达到1.0wt％以上的交联EVA才能表现出双向形状记忆特性。其中，加入3.0wt％DCP的交联EVA在0.1MPa的恒应力下可逆应变量最大，可达16.7％。加入4.0wt％DCP后，交联EVA具有较为理想的二重形状记忆性能（形状固定率与回复率可分别达到96.6％和97.7％），且在双向形状记忆测试中同样表现良好。
　　为赋予双向形状记忆EVA电刺激响应功能，本文以气相生长碳纤维(VGCF)为纳米填料，通过溶液混合-溶胶化的方法制备了VGCF-EVA复合材料。当VGCF添加量达到15.0wt％时，试样电阻率降至20.4Q·cm，试样在60V电压下迅速升温且温度分布均匀，并能够在40V电压下执行电响应的双向形状记忆。该VGCF-EVA复合材料还具有驱动便捷，形状转变速度快等优点。
　　为进一步探究2W-SMP在智能控制中的实际应用可能，本文利用双向形状记忆EVA为基础材料，经环氧导电银胶涂覆、赋形后制得了智能温控开关。此开关能够在温度达到52.7±2.8℃时主动展开，使电路断开;当温度降至27.3±1.4℃时，开关又能够变形至电路闭合状态。这一智能器件有望应用于智能开关，如限流开关。
　　本文表明，对EVA进行适当交联可赋予其双向形状记忆特性，制得的交联EVA能够在无应力条件下稳定进行多次形状可逆变化;再经加入VGCF导电填料复合改性，EVA基复合材料在保持原有双向形状记忆性能的情况下，兼具有电刺激响应特性;最后，实验证明得到的双向形状记忆EVA经合理的结构设计，有望应用于智能控制领域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 形状记忆材料概述

1．1．1 SMP简介

1．1．2 SMP的应用

1．2 形状记忆聚合物SMP的国内外研究现状

1．2．1 单向形状记忆聚合物

1．2．2 双向形状记忆聚合物

1．2．3 SMP的间接热驱动与非热驱动行为

1．3 论文的研究目的及意义

1．4 论文的主要内容及创新点

1．4．1 论文的主要内容

1．4．2 论文的创新点

第二章 双向可逆形状记忆EVA的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验主要设备

2．2．3 交联EVA的制备

2．2．4 热行为测试

2．2．5 动态热机械性能测试

2．2．6 静态拉伸性能测试

2．2．7 形状记忆性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 交联EVA的热行为

2．3．2 交联EVA的机械性能

2．3．3 交联EVA的形状记忆性能

2．4 本章小结

第三章 电驱动双向形状记忆VGCF／EVA复合材料的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验主要设备

3．2．3 复合材料的制备

3．2．4 形貌观察

3．2．5 热行为测试

3．2．6 静态拉伸性能测试

3．2．7 双向形状记忆性能测试

3．2．8 导电性测试

3．2．9 热效应测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 复合材料的断面形貌观察

3．3．2 复合材料的结晶性能及机械性能

3．3．3 复合材料的双向形状记忆性能

3．3．4 复合材料的电学性能及其电驱动双向形状记忆

3．4 本章小结

第四章 基于双向形状记忆聚合物的温控开关开发与应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及试剂

4．2．2 实验主要设备

4．2．3 交联EVA双向形状记忆聚合物的制备

4．2．4 性能测试

4．3 器件设计思路及实际工作情况

4．4 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

硕士期间的研究成果

致谢