超重力法制备形状记忆纳米复合材料及其性能研究

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形状记忆聚合物(SMPs)是如今最有发展前景的智能材料之一,其在生物医学、航空航天、4D打印等领域应用广泛。SMPs能够通过施加热、电流、磁场、光照、水、p H等刺激,从临时形状回复到原始形状。同时,SMPs还具有诸多优点,如相对简单的制造工艺、高柔性、重量轻等,但是SMPs在导电性和机械性能等方面还存在明显的缺陷,通常通过在聚合物基体中引入填料解决,其中纳米填料对SMPs基体的性能提升更为明显。同时添加功能性纳米填料还能使形状记忆纳米复合材料(SMPNs)具有对其它特殊刺激产生响应的能力,从而扩大了它的应用场景。聚乙烯醇(PVA)的优点众多,因此受到了广泛的关注,它具有无毒、易加工、耐高温、良好的生物相容性和优异的机械性能等特点。最重要的是以PVA为基体的形状记忆复合物能够通过简单的方式制备且能够实现水诱导,在水中实现形状回复。水诱导更加简单、更加温和,可以适用于更多种场合,为其应用提供了更多的可能。本文的研究内容以及创新点如下:(1)通过简单的溶液共混法将纳米Fe3O4和PVA复合,制备了水、热响应的SMPNs。研究复合物PVA/Fe3O4的形状记忆性能,该复合物能够在50℃水中进行回复。研究了纳米填料粒径和水温对SMPNs形状记忆性能的影响,发现在相同Fe3O4含量下,加入较小粒径的复合物的形状回复时间更短,在Fe3O4含量5%时,和大粒径的复合物相比,形状回复时间缩短了48.9%。在室温水中回复的效果较差,在Fe3O4含量1%时,形状回复时间增加了58.3%,且此时形状回复率也较低,最低达到了78%,这表明需要水、热协同刺激才能达到最优的形状记忆性能。同时,复合物PVA/Fe3O4也具有形状记忆循环性能。通过溶液共混法制备的PVA/Fe3O4复合物,纳米填料在PVA基体中存在团簇现象,影响了PVA/Fe3O4的机械性能,但是该复合物的拉伸性能仍然较为优秀。同时,PVA/Fe3O4也具有良好的热稳定性。(2)在超重力环境中,在PVA基体中原位合成了ZnO纳米粒子,制备了PVA-ZnO SMPNs。对其反应条件进行探索,最优的反应条件为:在50 m L质量含量5%的PVA溶液中加入0.2 g二水合乙酸锌时,加入氨水的体积为3 m L,二水合乙酸锌在PVA溶液中预混30 min后进行反应,反应时间1 min,超重力转速为1500 rpm。将反应物加热处理后去除沉淀制成薄膜进行后续测试。对PVA-ZnO进行了形状记忆性能的测试,发现和溶液共混法制得PVA/ZnO相比,超重力原位法能够使纳米填料更加均匀地分散在PVA基体中,减少团簇体的产生,从而使得形状回复时间更短。超重力原位法合成的PVA-ZnO最短的形状回复时间为19 s,和溶液共混法相比下降了89.4%。同时该复合物也具有优异的热稳定性,在可见光段具有优异的透过率。
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