形状记忆聚合物基信息载体设计及其性能研究

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形状记忆聚合物(Shape memory polymers,SMP)作为智能刺激响应材料的典型代表,它能感知外界环境刺激(温度、电、光、磁场和溶剂等)自发产生形状、应变、尺寸或刚度等物理属性的变化,在航天设备、医疗器材和驱动传感器等领域展现出广阔的应用前景。近年来,SMP通过可控的形状变化实现信息存储、防伪和加密传输等功能,使SMP基信息载体逐渐走进人们的视野,打开了SMP新的应用领域,也丰富了信息载体形式。但是,目前SMP基信息载体材料的发展还存在诸多问题,例如,需要复杂的预处理来写入信息、写入的信息易被发现和破坏、以及单一的变形和驱动方式难以满足不同场景的应用要求等;此外,对SMP形状变化的研究主要集中在临时形状和原始形状的编程设计上,对SMP在不同驱动方式下的动态响应过程尚未深入研究。因此,设计具有优异刺激响应稳定性和多重驱动方式的形状记忆聚合物复合材料(Shape memory polymer composites,SMPC),并对其在不同刺激作用下的响应行为进行研究,将为SMP基信息载体的发展提供新的思路和实验参考。本文分别以具有优异形状记忆性能的水性环氧树脂(Water-borne epoxy,WEP)和乙烯-醋酸乙烯酯(Poly(ethylene-co-vinyl acetate),EVA)为基材,Ti3C2Tx和碳纳米管(Carbon nanotubes,CNT)为功能填料,制备了具有优异热力耦合刺激响应稳定性、以及具有多重驱动方式和出色双向形状记忆性能的SMPC。对两种SMPC的结构和性能,以及在热、电和光刺激作用下的响应行为进行了系统研究。以两种SMPC为信息载体设计了不同的信息传递方式。具体研究内容如下:(1)为提高WEP热力耦合行为稳定性,以具有优异机械性能、高比表面积和丰富表面官能团的Ti3C2Tx纳米片为增强填料,通过冷冻干燥和热压成型方法制备了Ti3C2Tx/WEP复合材料,研究了该复合材料的结构、形貌、机械性能、热学性能、形状记忆性能和热力耦合刺激响应行为,并验证了该复合材料用于信息传递的可行性。实验结果表明:Ti3C2Tx纳米片的引入有效改善了WEP的机械性能和热稳定性,且未对其形状记忆性能产生负面影响,相较于纯WEP,2 wt%Ti3C2Tx/WEP复合材料的拉伸强度提高了40%,初始分解温度升高了20°C;Ti3C2Tx/WEP复合材料具有良好的抗蠕变性能,在长时间热力耦合刺激下可持续输出具有良好稳定性、规律性、重现性和可编程性的应变和速度响应信号;以Ti3C2Tx/WEP复合材料为信息载体,通过定制信息单元、刺激指令和响应信号的编码对应关系,成功设计了一种基于该复合材料热力耦合行为的信息加密传递策略,阐明了信息传递过程中的编码-解码机理,并通过信息传递演示验证了该信息载体材料具有传递文字和图片信息的潜力。(2)为了丰富SMP的驱动方式,拓宽SMP基信息载体在不同场景的应用潜力,以具有双向形状记忆效应的EVA为基体,CNT为功能材料,通过溶胀-超声辅助吸附工艺制备了皮芯结构的CNT/EVA复合材料。研究了超声处理时间对CNT负载量和复合材料力学性能的影响,选择了综合性能良好的CNT/EVA复合材料为研究对象,并对该复合材料的结构、微观形貌、不同驱动方式下的双向形状记忆行为、应变传感性能和光驱动-自传感性能进行了系统研究,并基于该复合材料的多重刺激响应行为设计了不同的信息传递方式。实验结果表明:超声处理30 min得到的复合材料综合性能最佳,此时CNT/EVA复合材料的CNT含量为2 wt%,电阻率为46Ω·cm;且该复合材料具有优异的单向和双向形状记忆性能,通过调控工作温度区间和外部载荷可以控制复合材料的可逆应变范围;复合材料表面嵌入式的CNT层为焦耳热效应创造了条件,使复合材料可在50%预拉伸应变下实现电驱动回复,并能提起自身重量857倍的重物;通过程序化控制电源开启和关闭,可精确控制应变变化范围;另外,该复合材料表面CNT层的微裂纹增长机制使其具备了应变传感功能,测试表明该复合材料具有较大应变检测范围(202%)、高灵敏度(107.6)和快响应速度(170 ms);此外,CNT层优异的光热转换性能赋予了该复合材料光驱动响应效果,结合应变传感功能,可以通过电阻变化实时反馈形状记忆驱动过程;最后,分别以该复合材料电驱动产生的应变响应信号和光驱动产生的电阻响应信号为通讯符号,设计了不同的信息传递策略,并成功通过了信息传递可行性验证。综上所述,本论文为制备具有稳定的刺激响应行为、多重驱动方式以及驱动-传感一体化功能的SMPC提供了实验参考,丰富了SMP基信息载体处理和传递信息的方式,拓展了SMP的功能和应用领域。
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