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形状记忆聚氨酯的性能及应用

来源:小说网 日期:2019-9-10 分类:儿童文学

科技进步很大程度依赖于新型材料的发展,材料的结构、功能和设计上的创新都可产生新的材料,智能材料就是其中一种。智能材料是指能在自身微结构上自发感知、响应和进行控制或信息传导的材料,它能在预定的时间以适当的方式对外界的刺激感知并且能够产生响应,根据外界条件改变而改变其功能,当外加刺激消除后,材料又能回复到最初状态。一些单晶材料具有这种功能,但智能材料和结构一般不是单晶,而是材料的复合。在已有的智能材料中,一些材料具有多功能或在结构中有智能,如形状记忆合金、形状记忆功能高聚物、压电陶瓷、光导纤维、磁电材料等。   形状记忆材料是智能材料一个重要的分支。形状记忆材料自身具有优异的性能,诸如形状记忆效应,伪弹性或高的回复形变,良好的抗震性和适应性。形状记忆效应是指可通过热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激,触发材料响应,从而可能改变材料的技术参数,诸如形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态特征。到目前为止,具有形状记忆效应的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶。由于形状记忆材料容易制成薄膜、纤维或线、颗粒等形式,容易与其他材料结合形成复合材料,其发展越来越受到重视。   形状记忆高分子材料是一种功能性高分子材料,是高分子材料研究、开发、应用的一个新分支。随着对高分子结构和特性认识的深化,以及高分子合成技术的发展,使高分子材料通过分子设计得到预期的结构和性能成为现实。   形状记忆高分子材料就是运用现代高分子物理学和高分子合成及改性技术,对通用高分子材料进行分子组合和改性。如对聚乙烯、聚酯、聚异戊二烯、聚氨酯等高分子材料进行分子组合及分子结构调整,使它们同时具备塑料和橡胶的共性,在常温范围内具有塑料的性质,即硬性、形状稳定恢复性,同时在一定温度(所谓记忆温度)下具有橡胶的特性,主要表现为材料的可变形性和形状恢复性,也就是材料的记忆功能,即“记忆初始态———固定变形———恢复起始态”的循环。   目前,具有形状记忆性能的高分子材料有聚氨酯、聚降冰片烯、反式1,4—聚异戊二烯、苯己烯—丁二烯共聚物等;另外,聚内酯、聚酰胺也能在特定条件下表现出形状记忆功能。   形状记忆聚合物具有重量轻、成本低、恢复温度便于调整、易着色、形变量大、赋形容易等优点。其中形状记忆聚氨酯具有生产原料广、配方可调性大、形状记忆选择范围宽、恢复温度在室温范围内(25~55℃)等优点,适应于挤压、注射成型、涂层、铸造等成型工艺,能满足较多场合的需要。另外,它还有独特的性能,如良好的透气性(可根据温度来控制)、抗震等性能,这些性能与其温度有很大的相关,使它在纺织行业应用成为可能。   一般高分子材料在其玻璃化转变温度(Tg)附近,机械性能会发生明显变化。Tg以下则表现为刚性与脆性;Tg以上则表现为弹性与柔性。这些性能由玻璃态向高弹态的变化时虽限制了高分子材料的使用范围,但正可以利用此特性赋予其特殊的功能,即形状记忆功能。   形状记忆聚氨酯是热塑性高分子材料,它是由具有两种不同玻璃化温度的高分子材料聚合而成的嵌段共聚物。由于一个分子中的两种(或多种)组分不能完全互容,导致了相的分离,低玻璃化温度的部分称为软段,高玻璃化温变的称为硬段。大部分非吸性低熔点软段与极性高的硬段相互排斥和热力学的不相容导致了两相之间的分离,同时形成了共价键键合的微相区,又因为它们是以化学键相连接的,分离必然受到限制,因此得到三级结构的形态,即软段区、硬段区和软硬段混容区。柔性的软段区(也称可逆相)能产生很大的形变,而在硬段区(也称固定相)内,分子被其相互间的物理交联作用所固定。由于软硬段的共价偶联而抑制了链的塑性移动,从而产生了回弹性。软段在室温范国内是结晶的,或玻璃化转变温度必须高于室温。即具有塑料的特性,当温度升到软段的结晶态熔点或高弹态时,软段的微观布朗运动加剧而易产生形变,但硬段仍处于玻璃态或结晶态,阻止分子链产生滑移,抵抗形变,从而产生回弹性,即记忆性,而当温度下降到其玻璃态时,形变被“冻结”固定下来。   聚合物的三种形态:玻璃态、高弹态和粘流态,只有其处于高弹态时在理论上才具有形状记忆功能;当聚合物处于玻璃态和粘流态时,不可能产生形状记忆功能。结晶度高的聚合物,由于主要显示其结晶相的性质,不可能显示其形状记忆功能。   形状记忆聚氢酯各项性能在其玻璃化温度转变区域有很大的变哈尔滨有名癫痫医院化,由于其玻璃化温度在环境温度内,因此,可以利用这一功能开发出不同的智能型材料,且极具广泛的应用前景。   形状记忆功能在纺织领域的应用可以追溯到弹力丝的生产,它利用弹力丝的热收缩性能赋予纱线特殊的性能。当前的主要应用是将形状记忆合金或光导纤维嵌入纤维增强复合材料,用以检测复合材料的抗震、应力破坏等。   形状记忆聚氨酯在纺织品中的应用形式既可以进行纺丝以赋予纱线记忆功能,也可以作为织物涂层剂进行织物的功能性涂层,还可以作为整理剂对织物进行功能性整理(形状记忆功能)。利用它的透气性可受温度控制,在室温条件下,可以充分改善织物的穿着舒适性。形状记忆聚氨酯在Tg范围变化区,其透气性有明显的改变。将Tg设定在室温,则涂层织物能起到低温(<Tg)时低透气性的保暖作用和高温(>Tg)时高透气性的散热作用。由于薄膜的孔径远远小于水平均直径,起到防水效果,从而河南看癫痫最好医院使织物在各种温度条件下都能保持良好的穿着舒适性。利用聚氨酯的形状记忆功能,调整合适的记忆触发温度,可应用于服装衬布,具有良好的抗褶皱、耐磨等性能。   据日本三菱重工业公司报道,采用形西安哪能治癫痫病状记忆聚氨酯涂层的织物“AZekura”不仅可以防水透气,而且其透气性可以通过体温加以控制,达到调节体温的作用。其作用机理在于聚氨酯的分子间隔会随体温的升高或降低而扩张或收缩,大大改善了织物的穿着环境适应性及舒适性能。但是否同时还具有抗皱、免烫性能,目前还没有该类报道。该公司用形状记忆聚氨酯生产的高防水透气织物Diaplex产品,其防水性能达到1.96×105~3.62×105Pa压力,而透气性达到8000~12000克/平方米·24小时。该产品还具有良好的抗冷凝性,它不仅适用于一般条件下的穿着,而且适合在恶劣环境条件下的穿着,其防水透气保暖性能随温度变化而改变,始终保持穿着者有良好的舒适性。   当前聚氨酯在纺织领域主要应用于织物的涂层,用于生产皮革、服装面料等,其性能改善的重点在于产品的防水透气功能方面,而采用形状记忆聚氨酯能使制品的透气性可根据温度来控制,最大程度满足穿着者舒适性的要求。从已开发的形状记忆功能材料方面来看,其恢复形状的温度不够精确,即在纺织品的实际使用中,如何实现在人体温度范围内,达到能控制形状记忆聚氨酯的形状记忆行为及其透气性机理(即控制形状记忆聚氨酯分子之间的间距依体温变化,从而实现透气调温功能),以及具体的生产工艺还有待于进一步的研究。总的说来,形状记忆聚氨酯在纺织领域具有广泛的应用前景,它为生产功能性高附加值纺织品提供了一种手段。   作者简介:   曾跃民,东华大学纺织材料博士生;严灏景,东华大学教授,博士生导师;胡金莲,香港理工大学教授,博士生导师。

中国纺织报 曾跃民 严灏景 胡金莲