CN105670272A - 预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料及其制备方法 - Google Patents

预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于包括有如下配置比：100质量份含半结晶型软链段聚氨酯脲弹性体，0.1～50质量份导电填料，0～5质量份其它填料，所述其它填料包括催化剂、光引发剂、热稳定剂、抗氧剂其中一种或几种复合。所制备的电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，在不同的预应力下可以获得不同的程度的伸缩形变能力，而且这伸缩形变的幅度也可以通过调节基材聚合物的结晶度进行控制。导电填料是指包括碳黑、纳米碳管、碳纤维短纤、金属粉末(镍粉)等在内的可以通过均匀分散在结晶性聚合物弹性体基材使复合材料具有通电焦耳发热效应的填充物。不同的导电填料会导致这一复合材料具有不同的电阻率，因此获得不同的电压下发热效应。

Description

预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种高分子材料，是一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料及其制备方法。
【背景技术】
具有形状记忆功能的材料通常分为三大类：形状记忆金属合金、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料。与形状记忆合金相比，形状记忆高分子材料具有大形变能力、性能可设计性强、加工性好和成本低等优点。近年来国际上对形状记忆高分子材料的研究热点包括材料选择、新激励方式的开发、对热敏性材料的热敏温度调节、复合材料的研究、双向形状记忆功能设计等。形状记忆高分子材料这种能够感知环境变化(如温度、力、电磁、溶剂等)的刺激，并响应这种变化，对其力学参数(如形状、位置、应变等)进行调整，从而回复到预先设定状态的材料，在航空、电子、生物医学工程等领域的智能结构中具有非常重要的潜在应用价值。
根据实现记忆功能的条件不同，形状记忆高分子材料可分为热敏型、光敏型、电磁敏感型和酸碱度敏感型等多种类型。此外，对于形状记忆特性也可以通过形状记忆材料结构设计、复合材料体系设计进行调控。主要的形状记忆聚合物主要包括有交联聚烯烃、形状记忆聚氨酯、聚降冰片烯和反式聚异戊二烯[J.Hu,Y.Zhu,H.Huang,J.Lv,"Recentadvancesinshape–memorypolymers:Structure,mechanism,functionality,modelingandapplications",PolymerProgressinPolymerScience,vol.37,pp.1702-1763,2012]等。关于利用高分子材料的设计实现双向形状记忆功能，目前包括的体系有：利用热敏感液晶结构实现热敏双向变形、预应力下半结晶性聚合物热敏双向形状记忆功能[H.Meng,H.Mohamadianetal“Variousshapememoryeffectsofstimuli-responsiveshapememorypolymers”,SmartMaterialsandStructures,vol.22,pp.23,2013]。此外专利US2009/0092807A1中揭示出利用形状记忆聚合物和弹性体复合膜材料实现热敏感双向弯曲，其双向形变限制于所制备的片状材料实现两个不同角度的弯曲之间受温度控制的形变。前述几种双向形状记忆功能的实现仅限于用温度做为激励方式，即只有热敏感特性。
而加热这种刺激方式的一些固有缺点会限制形状记忆聚合物的应用，这些缺点主要是热量不易定量控制，在某些特殊场合热量无法到达受控部位。电做为激励方式具有易控制、应用领域广泛的优点，因此专利CN1268684C中揭示出一种含有脂肪族聚酯和导电填料的电响应形状记忆材料。然而其形状记忆特性仅限于实现单向形状记忆，即需要在记忆材料受到电激励实现形状回复之前进行赋形的操作。赋形的过程中，材料必须事先放在80℃热水加热10分钟，然后进行拉伸变形，在持续施加应力条件下冷却到室温进行形状固定，然后才可以实现电激励进行形状回复。因此，这一复杂的赋形操作带来了实际使用上的不便，而且其电激励只能在单向回复中使用，限定了其适用的范围，尚不能起到直接驱动的作用和功能。
还有报道一种电致双向形状记忆复合膜，其通过将变形后的填充有导电填料的形状记忆聚合物膜与弹性体膜的贴合，利用两种不同膜在高温和低温下模量/回弹力的差异实现电致往复的弯曲形变，从而实现所述电致双向形状记忆功能，但是这一复合膜的体系仍然无法实现具有较大实际使用价值的大幅度伸长-收缩回复(双向形变幅度为原长度的50％)的双向变形[S.Chen,S.Yang,etal,ElectroactiveTwo-WayShapeMemoryPolymerLaminates]。因此可以看到在电致实现伸缩形变的双向形状记忆材料及其制备方法目前仍未见报道，具有创造性和新颖性。考虑到基于这一材料伸缩性能可以实现更多其它的形变形式，而且电致激发具有良好的可控性，因此这一发明具有很好的实用性。
【发明内容】
本发明克服了现有技术的不足，而提供了一种电响应的预应力下双向形状记忆复合材料，通过对结晶型聚酯、聚氨酯与导电填料进行复合，并结合既定的预应力诱导，从而实现电响应的大幅度拉伸/收缩回复，双向形变可达材料原长度的50％。
本发明采用以下技术方案：
一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于包括有如下配置比：100质量份含半结晶型软链段聚氨酯脲弹性体，0.1～50质量份导电填料，0～5质量份其它填料，所述其它填料包括催化剂、光引发剂、热稳定剂、抗氧剂其中一种或几种复合。
一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于复合材料制备的过程包括半结晶型聚氨酯脲弹性体的合成、导电填料分散在弹性体基材、成型加工；通过在半结晶性预聚物中分散导电填料，再进行交联形成聚合物交联网络，或者在有物理交联结构的半结晶型软链段聚氨酯脲弹性体中，在溶液中分散导电填料的方法进行制备。
本发明的有益效果：
本发明所制备的电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，在不同的预应力下可以获得不同的程度的伸缩形变能力，而且这伸缩形变的幅度也可以通过调节基材聚合物的结晶度进行控制。导电填料是指包括碳黑、纳米碳管、碳纤维短纤、金属粉末(镍粉)等在内的可以通过均匀分散在结晶性聚合物弹性体基材使复合材料具有通电焦耳发热效应的填充物。不同的导电填料会导致这一复合材料具有不同的电阻率，因此获得不同的电压下发热效应。
通过预应力下电激励获得幅度达原长度50％的伸缩双向变形，而且双向变形的程度还可以直接通过预应力的大小或者施加的电压进行调解，这些易于控制的优点使得这一材料体系具有较宽的应用范围，可以满足不同的要求。
【附图说明】
图1是本发明的双向形状记忆聚合物材料预应力下形变与温度的关系曲线图。
【具体实施方式】
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：
实施例1：本实施例是合成制备预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料膜的方法。
本实施例实施中，将相对分子质量为40kg/mol的聚己内酯100质量份，二苯基甲烷二异氰酸酯12.5质量份，溶解在200质量份二甲基甲酰胺溶液中，在80摄氏度下反应两小时，生成端二异氰酸酯基预聚体溶液。然后加入粒径30纳米的导电碳黑5.7质量份，搅拌分散在预聚体溶液中。最后逐步滴加1.5质量份乙二胺扩链剂，并适当补加0～200质量份二甲基甲酰胺溶液，控制体系粘度，获得含有导电填料的聚氨酯脲的溶液。聚氨酯脲的含量在23～37wt％之间，然后将聚氨酯脲溶液稀释到10wt％的二甲基甲酰胺溶液，使聚氨酯脲与二甲基甲酰胺的质量比为1：9，倒模在四氟乙烯平板模具中，在环境80摄氏度的通风烘箱热烘12小时后，再放到60摄氏度真空烘箱，在真空度1mmHg的环境下，放置24小时，除去溶剂，既可制备得到预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料膜。通过模板的面积，所制备的薄膜厚度可以控制在0.1mm，所制备的复合材料膜体积电阻率达20000Ωcm。
实施例2：如图1所示，本实施例是对预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆形变特性的测试方法和数据。针对实施例1中所制备的复合材料膜剪裁为宽10mm，长50mm的长条形状，然后固定在夹具上，在样片上下端直接夹持导电线夹，而且施加不同的应力即可获得不同程度的电致双向形状记忆性能。所施加的应力为400kPa和2MPa。施加电压100V。针对双向形状记忆性能有如下的表征测试方法：
其中在预应力作用下，首次材料加电100V时候，温度升高会产生有一定的伸长率，然后双向形状记忆材料可以在此基础上，对反复断电自然冷却降温和加电升温做出形变响应，自发的伸长和缩短，从而实现预应力下的双向形状记忆功能。本专利揭示出的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，通过导电填料将经过该材料的电流产生的焦耳热直接作用于半结晶型弹性体材料基体，从而获得电流控制下的双向形变。对于双向形状记忆性能，可以通过如下参数进行定量的衡量：
公式1：形变幅度Ract(σ)＝εlow-εhigh
σ其中代表所施加的应力。
公式2：双向形状记忆回复率
即双向形变中可回复的形变占伸长形变的比例。
在400kPa的应力下，Ract(2MPa)可以达到12.1％，而在2MPa下，其Ract可达43％。此外，在2MPa下，样片在第一次加电100V升温到70摄氏度，即超过半结晶性链段的熔点后，样片长度就产生了40％的伸长，即如图1所示，有A点到了B点，由B点为起点，通过断电，材料自然冷却到室温，此时由于半结晶性链段的取向结晶，材料可以产生高达42％的再次伸长，而且这一伸长的幅度大部分是可以通过再次加电100V加热样片回复的，其回复率Rrec(2MPa)有第一个循环加电升温、断电降温的77％，逐步提高到91％，91.8％和92％。
实施例3：本实施例是合成制备预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料膜。
本实施例实施中，将相对分子质量为40kg/mol的聚己内酯100质量份，二苯基甲烷二异氰酸酯12.5质量份，溶解在200质量份二甲基甲酰胺溶液中，在80摄氏度下反应两小时，生成端二异氰酸酯基预聚体溶液。此后，在溶液体系中加入丙烯酸羟乙酯5.8质量份，保持体系80摄氏度2小时，直至红外检测反应物中未检测出异氰酸酯基团，即在红外光谱未见到2270cm-1波数出有吸收峰。然后加入粒径30纳米的导电碳黑5.92质量份，充分搅拌分散在预聚体溶液中。然后在体系中再加入3.8质量份安息香双甲醚(2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone)，然后倒模在模板上，经由100瓦紫外灯15厘米照射15分钟后，在80摄氏度通风烘箱热烘12小时后，再放到60度真空烘箱，真空度1mmHg的环境下，放置24小时，除去溶剂，既可制备得到预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料膜。通过溶液的固含量、倒入模具溶液量和模具的面积可以控制所制备的膜厚度在0.1mm左右。由此方法制备的交联型半结晶型聚合物，其凝胶含量可达81wt％(80摄氏度24小时，100倍过量二甲基甲酰胺溶解萃取后，烘干测试)。所制备膜样片体积电阻率达23000Ωcm。
实施例4：本实施例是对预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆形变特性的测试方法和数据。针对实施例3中所制备的复合材料膜剪裁为宽10mm，长50mm的长条形状，然后固定在夹具上，施加不同的应力即可获得不同程度的双向形状记忆性能。所施加的应力为400kPa和2MPa。双向形状记忆性能的表征测试方法已经在图1和公式1、2列出了具体的计算方法。经过测试例2所制备的样片在400kPa的预应力下，通过加电100V升温到70摄氏度，再由70摄氏度自然冷却到室温20摄氏度，所测试的双向形状记忆形变，形变幅度Ract(400kPa)可达50％，形变回复率Rrec(400kPa)87％。

Claims (11)

1.一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于包括有如下配置比：100质量份含半结晶型软链段聚氨酯脲弹性体，0.1～50质量份导电填料，0～5质量份其它填料，所述其它填料包括催化剂、光引发剂、热稳定剂、抗氧剂其中一种或几种复合。
2.根据权利要求1所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于所述含半结晶型软链段的聚氨酯脲弹性体的分子量在2000～20000之间。
3.根据权利要求2所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于所述含半结晶型软链段的聚氨酯脲弹性体为其分子量在4000～8000之间的具有半结晶性能的端羟基聚酯、聚醚。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于所述导电填料包括碳纤维、碳纳米管、碳黑、金属镍粉末其中一种或几种复合；所述导电复合材料的体积电阻率小于等于106Ωcm-1。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料，其特征在于所述导电填料的质量份在0.2～10，其它填料的质量份在0.2～3。
6.一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于复合材料制备的过程包括半结晶型聚氨酯脲弹性体的合成、导电填料分散在弹性体基材、成型加工；通过在半结晶性预聚物中分散导电填料，再进行交联形成聚合物交联网络，或者在有物理交联结构的半结晶型软链段聚氨酯脲弹性体中，在溶液中分散导电填料的方法进行制备。
7.根据权利要求6所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于所述复合材料的配方组成包括含有导电填料组份的半结晶型聚酯链段，通过其可反应性端基，包括烷氧基硅烷、丙烯酸端基、环氧基、异氰酸基形成半结晶型交联弹性体，其中导电填料在交联反应之前就均匀的分散在可反应的预聚物中，然后交联反应和成型或成膜过程同时进行获得所需制品的外形。
8.根据权利要求6所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于复合材料的配方组成包括含有半结晶型聚酯链段的聚氨酯脲弹性体，通过溶液中将导电填料分散在聚氨酯脲弹性体中，从而获得预应力下电响应收缩形变的双向形状记忆功能。
9.根据权利要求6所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于复合材料的配方组成包括含有导电填料组份的半结晶型聚酯链段，通过其可反应性端异氰酸基，与胺类扩链剂反应获得具有物理交联的预应力下电响应收缩形变的双向形状记忆复合材料。
10.根据权利要求6所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于将相对分子质量为40kg/mol的聚己内酯100质量份，二苯基甲烷二异氰酸酯12.5质量份，溶解在200质量份二甲基甲酰胺溶液中，在环境80摄氏度下反应两小时，生成二异氰酸酯基预聚体溶液；然后加入粒径30纳米的导电碳黑5.7质量份，搅拌分散在预聚体溶液中；最后逐步滴加1.5质量份乙二胺扩链剂，并补加0～200质量份二甲基甲酰胺溶液，控制体系粘度，获得含有导电填料的聚氨酯脲溶液；聚氨酯脲的含量在23～37wt％之间，然后将聚氨酯脲溶液稀释到10wt％的二甲基甲酰胺溶液，使聚氨酯脲与二甲基甲酰胺的质量比为1：9，然后倒模在四氟乙烯平板模具中，在环境80摄氏度的通风烘箱热烘12小时后，再放到60摄氏度真空烘箱，在真空度1mmHg的环境下，放置24小时，除去溶剂，既可制备得到预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料膜。
11.根据权利要求6所述的一种预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于将相对分子质量为40kg/mol的聚己内酯100质量份，二苯基甲烷二异氰酸酯12.5质量份，溶解在200质量份二甲基甲酰胺溶液中，在环境80摄氏度下反应两小时，生成端二异氰酸酯基预聚体溶液；此后，在溶液体系中加入丙烯酸羟乙酯5.8质量份，保持体系环境80摄氏度2小时，直至红外检测反应物中未检测出异氰酸酯基团，然后加入粒径30纳米的导电碳黑5.92质量份，充分搅拌分散在预聚体溶液中；在体系中再加入3.8质量份安息香双甲醚，然后倒模在模板上，经由紫外灯照射15分钟后，在80摄氏度通风烘箱热烘12小时后，再放到60度真空烘箱，真空度1mmHg的环境下，24小时后，除去溶剂，既可制备得到预应力下电响应伸缩形变的双向形状记忆复合材料膜。
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