熱縮材料之-神奇的形狀記憶高分子機(jī)理及應(yīng)用解釋

熱縮管最常使用的材料有EVA、PE、PVDF、PEFE、EPDM、FEP、硅橡膠等等，這些材料本身沒有可加熱收縮的性能。我們需要使用特殊的工藝，使這些材料具有形狀記憶的功能，在加熱之后回到原來的尺寸，才能實現(xiàn)熱縮。

本文從介紹熱致形狀記憶高分子的記憶機(jī)理入手， 以具體形狀記憶高分子作為研究對象， 對不同高分子進(jìn)行特性分析。 并著重介紹該種材料在醫(yī)療、電子、汽車等行業(yè)的具體應(yīng)用。

材料、 能源、 信息分別是現(xiàn)代文明的三大支柱， 而材料是人類社會文明發(fā)展歷史上里程碑式的階段性標(biāo)志。 所謂的形狀記憶材料聽上去似乎有點玄乎， 給人一種具有生物智能特性的錯覺。 那么，它究竟是不是真的如此神奇呢？它的神奇之處在哪？

自1981年，人們發(fā)現(xiàn)高分子材料聚乙烯具有獨特形狀記憶功能， 至1984年， 形狀記憶高分子材料(Shape memory polymers， 簡稱SMP) 的概念在日本提出。 可以說， SMP是當(dāng)代材料化學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。時至今日， 其功能已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注。

1 形狀記憶高分子的 “記憶” 機(jī)理

形狀記憶是指具有初始形狀的制品， 經(jīng)形變固定之后， 通過加熱等外部條件刺激手段的處理， 又可使其恢復(fù)初始形狀的現(xiàn)象。 研究最早也最為廣泛的是熱致形狀記憶高分子 (簡稱TSMP)。 以此為例來闡述。

1.1 橡膠彈性理論對SMP形狀記憶特性的解釋

圖1 線形高分子材料的溫度與形變的關(guān)系圖

如圖， Tg為玻璃化溫度 (材料達(dá)到玻璃態(tài)與橡膠態(tài)時的臨界溫度)， Tt是粘流溫度。 橡膠在室溫下處于高彈態(tài)， 而塑料是玻璃態(tài)。 這是由兩者分子結(jié)構(gòu)和相對分子質(zhì)量等因素的不同造成的。 如果材料的玻璃化溫度高于室溫， 則材料在室溫下處于玻璃態(tài)。 如果材料的玻璃化溫度低于室溫， 在室溫下它就處于高彈態(tài)。

橡膠在室溫下就處于高彈態(tài)， 一根橡膠管在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟驴缮扉L數(shù)倍而當(dāng)外力解除之后便可恢復(fù)到原長。 但是， 如果把一個橡膠管放在液氮里， 它便會失去彈性， 拿出來以后進(jìn)行敲打， 它也會像玻璃一樣極易被打碎。 把它放到室溫下， 使其溫度慢慢升到室溫， 它仍會恢復(fù)為具有彈性的橡膠管。 這便是所發(fā)現(xiàn)的橡膠的形狀記憶功能： 橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)起到記憶其原來形狀的作用， 而其玻璃態(tài)具有固定其形變的作用。

一般塑料的加工要先升溫到粘流態(tài)， 吹塑后冷卻為一定形狀的制品， 也是一樣的道理。

1.2 SMP的形狀記憶機(jī)理

從分子結(jié)構(gòu)及其相互作用的機(jī)理方面加以解釋， 形狀記憶高分子可看作是兩相結(jié)構(gòu)， 即由記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化能可逆的固化和軟化的可逆相組成。