打开

传奇,这篇Nature文章,仅一位作者!形状记忆高分子经典之作!

高分子科学前沿

2022-09-26 07:53浙江

关注

可调控的聚合物多重形状记忆效应!

形状记忆聚合物是可以记忆临时形状并能在受到外部刺激(例如热、光、湿度或磁场)时恢复其永久形状的材料。这些特性赋予了其广阔的应用前景,包括可展开的空间结构、生物医学设备、自适应光学设备、智能干粘合剂和紧固件。然而,形状记忆聚合物的潜力受限于它在每个形状记忆循环中可以记忆的临时形状的数量以及为目标应用调整形状记忆转变温度的能力。目前已知的形状记忆聚合物能够记忆一种或两种临时形状,分别对应于双重和三重形状记忆效应(也包括永久形状)。在分子水平上,形状记忆聚合物可以记忆的临时形状的最大数量与聚合物中离散可逆相变(形状记忆转变)的数量直接相关。直觉上,多形状记忆效应可以通过引入额外的可逆相变来实现。然而,合成具有两个以上独特且强键合可逆相的聚合物的任务极具挑战性。此外,要调整形状记忆转变温度来实现对形状记忆效应的调控,通常需要改变材料组成。

鉴于此,通用汽车研发中心谢涛主任研究员(2013年全职回国,加盟浙江大学任教授)以只有一个可逆相变的全氟磺酸离子聚合物 (perfluorosulphonic acid ionomer,PFSA)为例,在不改变材料成分的情况下,使材料表现出高度可调的双重、三重和四重形状记忆效应该策略可应用于其他具有宽域可逆相变的形状记忆体系中,实现可调控多形状记忆效应;其通用性充分发掘了形状记忆聚合物的技术潜力。该研究以题为“Tunable polymer multi-shape memory effect”的论文发表在《Nature》上。

打开网易新闻 查看更多图片

PFSA的结构和双重形状记忆特性

PFSA是一种商业热塑性聚合物,具有聚四氟乙烯骨架和全氟醚磺酸侧链(图 1a)。作者使用的PFSA为Nafion,其具有从55℃到130℃的宽域玻璃化转变(图 1b)。作者首先将PFSA薄膜在140℃下退火,以去除聚合物加工过程中的残余应力/应变。退火后的平衡长度定义了PFSA的永久形状,接着,作者使用热力学分析评估了其形状记忆性能。在典型的热激活双形状记忆循环中,形状记忆聚合物在高温(变形温度,T d)下变形,并且变形的临时形状在冷却时固定。当加热到恢复温度 (T r) 时,永久形状会恢复。实验结果表明,PFSA在140℃(即T d和T r都高于玻璃化转变的上端)变形和恢复时表现出优异的双形状记忆性能,形状固定R f和形状恢复R r均接近100%(图1c)。

尽管在低至60℃温度下施加的应变可以在相同温度下完全恢复(图 1d),但在140℃ 引入的变形应变无法在较低温度下完全恢复。对于在140℃下变形的PFSA,分阶段提高恢复温度会导致分阶段恢复行为(图 1e)。与分阶段恢复相比,当恢复温度以连续方式增加到 140℃时,对于分别在60、80和100℃变形的三个样品,具有较高T d的PFSA的形状恢复曲线右移(温度较高)。

图1. PFSA的结构、动态力学和双重形状记忆特性。

PFSA的三重形状记忆特性

PFSA的三重形状记忆效应如图 2a所示。永久形状S0在140℃下变形并在68℃下固定以产生第一临时形状S1,其在68℃下进一步变形并在20℃下固定以产生第二临时形状 S2。在重新加热到68℃时,获得了恢复的第一临时形状S1 rec。进一步加热到140 ℃得到恢复的永久形状 S0 rec。两个三重形状记忆循环如图 2b(两个变形温度为140℃和53℃)所示。

打开网易新闻 查看更多图片

图2. PFSA的三重形状记忆特性。

PFSA的四重形状记忆特性

PFSA的多功能形状记忆特性也反映在其四重形状记忆效应中。如图 3a所示,从永久形状S0开始,PFSA可以在同一形状记忆循环中记忆三个临时形状(S1、S2 和 S3)。随后加热到相关温度产生恢复形状(S2 rec、S1 rec和 S0 rec)。多阶段恢复(图 1e)本身可以解释为通过一步编程过程记住五个临时形状,每个恢复步骤代表一个临时形状的恢复。

PFSA的多功能形状记忆特性源于其宽域的玻璃化转变。这种宽域的转变可以被看作是无限数量的转变的集体贡献,每个转变对应于无限急剧的转变温度,连续分布在宽域的转变中。在形状记忆效应的背景下,这些急剧的转变可以理解为单独的记忆元素。根据形状记忆循环期间的变形温度,不同数量的记忆元件被激活用于记忆功能,从而产生可调节的形状记忆效应。因此,其他具有宽玻璃化转变的离聚物可能表现出类似的形状记忆效应。具有宽域热可逆转变的无定形形状记忆聚合物是另一类候选物。在这种情况下,宽域的热可逆转变可能源于聚合物结构中温度依赖的强分子相互作用(例如,自互补氢键)或成分异质性(例如,成分梯度)。在形状固定步骤中使用温度和应变控制的组合,有可能控制熔化转变,产生可调控的形状恢复行为。

图3. PFSA的四重形状记忆特性。

【小结】

该工作以具有宽域可逆相变温度区间的全氟磺酸离子聚合物为例,在不改变材料成分的情况下,使材料表现出高度可调的双重、三重和四重形状记忆效应。该策略可应用于其他具有宽玻璃化转变的离聚物,实现多重形状记忆特性。该工作提出的可调控多形状记忆效应可扩展到其他诸多聚合物,其通用性充分发掘了形状记忆聚合物的技术潜力。

文章链接:
https://wwwnature.53yu.com/articles/nature08863

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
打开网易新闻,阅读体验更佳
23赞
目前还没有跟贴,欢迎发表观点
网易热搜每30分钟更新
打开应用 查看全部
打开