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上海交大劉河洲團(tuán)隊(duì) CEJ：具有優(yōu)異機(jī)械性能的無應(yīng)力雙向形狀記憶聚合物
2023-06-23  來源：高分子科技

  形狀記憶聚合物在柔性設(shè)備、軟體機(jī)器人和仿生設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。根據(jù)材料的形狀記憶行為可以將其分為單向形狀記憶聚合物（1WSMP）和雙向形狀記憶聚合物（2WSMP）。相比較于1WSMP，雙向形狀記憶聚合物可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動，適應(yīng)更多的使用場景。然而，目前的雙向形狀記憶聚合物普遍存在模量較大，斷裂伸長率較低等缺陷，限制了其實(shí)際的應(yīng)用。



  針對上述問題，上海交通大學(xué)劉河洲、陳玉潔和上海第一人民醫(yī)院俞銀賢團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種具有極佳機(jī)械性能的雙向形狀記憶聚氨酯材料。研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控該聚氨酯中結(jié)晶型聚合物鏈段（聚己內(nèi)酯和聚乙二醇）和無定型聚合物鏈段（聚丁二烯）的比例來控制材料中交聯(lián)密度、氫鍵密度、微相分離等特性，并可以實(shí)現(xiàn)最大2342%的拉伸應(yīng)變、591 MPa的真實(shí)抗拉強(qiáng)度、708.04 J/kg的能量密度和667.96 W/kg的功率密度等性能；谠摬牧蟽(yōu)秀的機(jī)械性能，其可以用于提升超過自身質(zhì)量60000倍物體。該聚氨酯還具有良好的形狀記憶效應(yīng)，其形狀固定率和回復(fù)率均可實(shí)現(xiàn)98%以上。此外，該材料具有雙向形狀記憶行為，在1MPa應(yīng)力下可實(shí)現(xiàn)最大24.53%的可逆轉(zhuǎn)變。在這種聚氨酯中，彈性聚丁二烯鏈段可以作為“分子彈簧”儲存和釋放應(yīng)力，從而在沒有外部應(yīng)力的情況下可實(shí)現(xiàn)最大13.7%的雙向形狀變化。研究團(tuán)隊(duì)分別探索了其在人工肌肉，柔性驅(qū)動器和人工韌帶等方面的應(yīng)用可能性。 


圖1 （a）聚氨酯的制備 


圖2.聚氨酯的熱力學(xué)性能和機(jī)械性能表征


圖3.聚氨酯的形狀記憶行為。


圖4.聚氨酯的雙向形狀記憶行為。


圖5. 無應(yīng)力下聚氨酯的雙向形狀記憶行為。


圖6.聚氨酯在人工韌帶方面的應(yīng)用探索


  該工作通過分子設(shè)計(jì)構(gòu)造了同時具有良好機(jī)械性能和形狀記憶效應(yīng)的聚氨酯材料。該材料解決了雙向形狀記憶材料高模量和低斷裂伸長率等缺陷，為制備優(yōu)良性能形狀記憶聚合物制備提供了新的思路。該材料還在人工肌肉，柔性器件和人工韌帶等領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用前景。相關(guān)工作成果以《Ultra-tough and Stress-free Two-way Shape Memory Polyurethane Induced by Polymer Segment “Spring”》發(fā)表在Chemical Engineering Journal上，上海交通大學(xué)博士生郭宇通為第一作者，上海交通大學(xué)劉河洲教授，陳玉潔副研究員和上海第一人民醫(yī)院俞銀賢副主任醫(yī)師為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144212

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