基于TPI的热/电致型形状记忆材料的制备与性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:yulaohuazi
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形状记忆聚合物材料由于其易成型、转变温度可控、成本低、可设计的优势,被广泛应用于电子电气、航空航天、医学医疗等领域。传统的热致型形状记忆聚合物由于热量不可控、响应方式单一使得其应用领域受到局限。电致型形状记忆聚合物复合材料可以通过电场调控其形状记忆效应,有着更加精准、可控的特点而受到研究者的广泛关注。泡沫材料由于其丰富的泡孔结构不仅可以实现轻量化还可以通过泡孔结构调控材料的导热、导电等功能性。反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)是一种可交联型形状记忆聚合物,由于其回复力大、回复率高的特点而被关注。由于TPI是热致型形状记忆聚合物,因此对以TPI基电致型形状记忆复合材料及其泡沫材料的制备和研究对扩展其应用范围和潜力有重要的研究意义。本研究采用TPI为基体材料,硫黄作为交联剂,单壁碳纳米管(SWCNT)作为导电纳米填料,微球发泡剂作为发泡剂,制备了TPI形状记忆材料、电致型TPI/SWCNT形状记忆复合材料及泡沫复合材料。并对不同体系的结构与性能关系进行研究,主要成果如下:1、研究了不同交联程度对TPI形状记忆性能的影响。交联程度越高,热响应温度从纯TPI的57.0 oC降低到硫黄份数的为2份时的37 oC。主要是因为交联结构限制了TPI分子链的运动和降低了TPI的结晶度,使TPI的结晶晶型从α、β两种晶型共存转变为单一β晶型。此外,交联程度越高还会降低TPI的固定效果。综合实验结果探究出制备TPI形状记忆材料的最佳硫黄份数区间为0.5份-1.5份。2、研究了SWCNT含量对TPI/SWCNT形状记忆复合材料的物理性能、热致形状记忆和电致形状记忆性能的影响。结果表明,SWCNT可以显著提高复合材料的电导率,相比如纯TPI,2.5 wt%SWCNT可以将电导率提高至8.4 S·m-1。这是由于SWCNT超高的电导率和极高的长径比可以实现低含量高导电的效果。此外,SWCNT还可以调控TPI的晶型,诱导TPI向α晶型生长,并提高复合材料的熔融温度和结晶温度。SWCNT还可以使复合材料具备电响应形状记忆效应,在30V的直流稳压电源下,2.5 wt%SWCNT的TPI可以实现形状记忆回复并且其回复可达87.5%。3、研究了微球发泡剂份数对TPI/SWCNT形状记忆泡沫复合材料的物理性能、微观相貌、热致形状记忆性能和电致形状记忆性能的影响。泡孔结构会大幅度降低复合材料的导热系数,从DU-0的0.245 W·m-1·K-1降低到DU-9的0.060W·m-1·K-1。少量微球发泡剂可以提高泡沫复合材料的电导率,如DU-1的电导率相比于DU-0的电导率提高了30%;而过量微球发泡剂份会大幅度降低复合材料的电导率,如DU-9的电导率相比于DU-0降低了81%。此外,控制微球发泡剂份数可以调控泡沫复合材料的电致形状记忆性能,如DU-1的电致形状记忆回复率达到93%;而DU-9的电致形状记忆回复率仅仅只有20%。
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