形狀記憶高分子（SMP）是一類新型的功能高分子材料，是高分子材料研究、開發、套用的一個新的分支點，它同時兼具有塑膠和橡膠的特性。隨著對高分子結構和特性認識的深化，以及高分子合成技術的發展，使高分子材料通過分子設計得到預期結構和性能成為現實。形狀記憶高分子就是運用現代高分子物理學理論和高分子合成及改性技術，對通用高分子材料進行分子組合和改性獲得的一類高分子材料，如聚乙烯、聚異戊二烯、聚酯、共聚酯、聚醯胺、共聚醯胺、聚氨酯等高分子材料進行分子設計及分子結構的調整，使它們在一定條件下，被賦予一定的形狀（起始態），當外部條件發生變化時，它可相應地改變形狀並將其固定（變形態）。如果外部環境以特定的方式和規律再次發生變化，它們便可逆的恢復至起始態。至此，完成“記憶起始態-固定變形態-恢復起始態”的循環。
基本介紹
- 中文名：形狀記憶高分子
- 外文名：shape memory polymer
- 特點：具有記憶性，可恢復原狀
- 類別：高分子材料
- 套用：工業、軍事、醫學
- 理論基礎：高分子化學
形狀記憶高分子分類,高分子的形狀記憶特性及其基本原理,熱致感應型形狀記憶高分子材料及其記憶效果,形狀記憶高分子的套用,
形狀記憶高分子分類
1、熱致SMP是一種在室溫以上變形，並能在室溫固定形變且可長期存放，當再升溫至某一特定回響溫度時，製件能很快回復初始形狀的聚合物。廣泛用於醫療衛生、體育運動、建築、包裝、汽車及科學實驗等領域，如醫用器械、泡沫塑膠、坐墊、光信息記錄介質及報警器等。
2、電致SMP是一種熱致形狀記憶功能高分子材料與具有導電性能物質(如導電炭黑、金屬粉末及導電高分子等)混合的複合材料。該複合材料通過電流產生的熱量使體系溫度升高，致使形狀回復，所以既具有導電性能，又具有良好的形狀記憶功能，主要用於電子通訊及儀器儀表等領域，如電子集束管、電磁禁止材料等。
3、光致SMP是將某些特定的光致變色基團(PCG)引人高分子主鏈和側鏈中，當受到紫外光照射時，PCG發生光異構化反應，使分子鏈的狀態發生顯著變化，在巨觀上材料表現為光致形變；光照停止時，PCG發生可逆的光異構化反應，分子鏈的狀態回復，材料也回復原狀。該材料可用作印刷材料、光記錄材料、“光碟機動分子閥”和藥物緩釋劑等。
4、化學感應型SMP利用材料周圍介質性質的變化來激發材料變形和形狀回復。常見的化學感應方式有pH值變化、平衡離子置換、螯合反應、相轉變反應和氧化還原反應等，這類物質有部分皂化的聚丙烯醯胺、聚乙烯醇和聚丙烯酸混合物薄膜等。該材料用於蛋白質或酶的分離膜、“化學發動機”等特殊領域。
高分子的形狀記憶特性及其基本原理
形狀記憶聚合物都具有兩相結構，即由記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化能可逆地固化和軟化的可逆相組成。固定相可為聚合物的交聯結構、部分結晶結構、聚合物的玻璃態，或者超高分子鏈的纏繞等。可逆相可以是產生結晶與結晶熔融可逆變化的部分結晶相，或發生玻璃態與橡膠態可逆轉變(玻璃化溫度Tg)的相結構。SMP可以是單一組分的聚合物，也可以是軟化溫度不同，但相容性良好的兩種組分的共聚物或混合物。形狀記憶過程如下。
形狀記憶過程聚合物產生記憶效應的真正原因需要從結構上進行分析。由於柔性高分子材料的長鏈結構，分子鏈的長度與直徑相差非常懸殊，鏈柔軟而易於互相纏結，而且每個分子鏈的長短不一，要形成規整的完全晶體結構是很困難的。高聚物的這些結構特點，決定了大多數高聚物的巨觀結構均是結晶與無定型兩種狀態的共存體系，如PE、PVC等。高聚物未經交聯時，一旦加熱溫度超過其結晶熔點，就表現為暫時的流動性質，觀察不出記憶特性；高聚物經交聯後，原來的線性結構變成三維網狀結構，加熱到其熔點以上時，不再熔化，而是在很寬的溫度範圍內表現出彈性體的性質。
因此形狀記憶聚合物材料必須具有以下一些條件：
1）聚合物材料本身應具有結晶和無定形的兩相結構，且兩相結構的比例應適當；
2）在玻璃化溫度或熔點以上的較寬溫度範圍內呈現高彈態，並具有一定的強度，以利於實施變形；
3)在較寬的環境溫度條件下具有玻璃態，保證在貯存狀態下凍結應力不會釋放。許多在室溫下具有玻璃態的熱塑性彈性體，如熱塑性聚酯彈性體、熱塑性聚苯乙烯-丁二烯彈性體、熱塑性聚氨酯彈性體等及具有交聯結構的熱塑性塑膠，如交聯PE、交聯EVA、交聯PVC等經適當的工藝過程都可製備成形狀記憶材料。天然橡膠等彈性體，因其在使用溫度環境下已呈高彈態，而無法凍結並保持其拉伸後的應力，因此不能作為形狀記憶材料而只能作為彈性體使用。借用橡膠的彈性理論，可以對聚合物材料的形狀記憶特性及影響材料形狀記憶特性的因素進行分析。
熱致感應型形狀記憶高分子材料及其記憶效果
形狀記憶高分子材料SMP一般都是由防止樹脂流動並記憶起始態的同定相與隨溫度變化能可逆地固化和軟化的可逆相組成。可逆相為物理交聯結構，如結晶態、玻璃態等，而同定相可分為物理交聯結構或化學交聯結構。以化學交聯結構為同定相的SMP被稱為熱同性SMP．以物理交聯結構為固定相的SMP則為熱塑性SMP。熱致型SMP的品種豐富。日本已擁有4種SMP的工業化生產技術．即聚降冰片烯、聚氨酯、高反式聚異戊二烯，以及苯乙烯，7-丁二烯共聚物。其他品種還有含氟樹脂、聚己酸內酯、聚醯胺等。
就這類高分子的形狀記憶效果而言，可逆相對SMP的形變特性影響較大，固定相對形狀恢復特性影響較大。可逆相分子鏈的柔韌性增大，SMP的形變數就相應提高,形變應力下降。熱固性SMP同熱塑性SMP相比，形狀恢復的速度快、精度高、應力大，但它不能回收使用。目前，熱致感應型SMP已投人套用的和正在開發的套用領域有電子通信、醫療衛生、機械製造、商品識偽、文娛體育、日常用品以及現代農業、科學能源等領域。同形狀記憶合金相比，SMP具有如下的特徵：
1、SMP的形狀恢復溫度可通過化學方法調整，如形狀記憶聚氨酯的恢復溫度範圍為-30℃~70℃。具體品種的形狀記憶合金則高於1471MPa。
2、形狀記憶合金的形變數低，一般在10%以下，而SMP較高,形狀記憶聚氨酯和TPI均高於40%.
3、形狀記憶合金的重複形變次數可達10*數量級，而SMP僅稍高於5000次，故SMP的耐疲勞性不理想。
4、SMP的形狀恢復應力一般均比較低，在9. 81MPa~29.4MPa之間，形狀記憶合金則高於1471MPa。
5、目前，SMP僅有單向記憶功能，而形狀記憶合金已發現了雙向記憶和全方位記憶。單向記憶是指材料被加熱恢復起始態後，再降低溫度時不再改變其形狀；雙向記憶材料不僅能記憶較高溫度下的形狀，而且能記憶較低溫度下的形狀，當溫度的高低溫之間反覆變化時，則不斷變換形狀；全方位記憶是雙向記憶的特殊情況,即較低溫度下的開頭與較高溫度下的形狀相反，即較低溫度下的開頭與較高溫度下的形狀相反。
形狀記憶高分子的套用
1、在紡織工業上的套用
形狀記憶聚合物經形變和固定後，在特定的外部條件下，如熱、化學、機械、光、磁、電等作用下，自動恢復到初始形狀。
1）形狀記憶材料在紡織上套用的形式主要有三種。一是形狀記憶紗線：將形狀記憶材料製成細絲，然後紡成紗線；二是形狀記憶化學品：將形狀記憶聚合物製成乳液、對織物進行整理、層壓或塗層，賦子織物形狀記憶功能，將形狀記憶聚合物製成樹脂或粘合劑與短纖維一起製成非織造織物；三是形狀記憶織物：將形狀記憶紗線織成各種機織物和針織物。將形狀記憶聚合物材料與天然纖維/合成纖維共同構成複合材料。
2）濕度敏感型聚合物套用。濕度激發形狀記憶材料，適用於用即棄衛生產品，如尿布、訓練褲、衛生棉和失禁產品。這些產品具有可摺疊或伸縮功能，當材料受到一個或幾個外界力作用時，至少在某一方向可產生變形；當外力解除後，至少在一個方向可保持一定程度的變形。當處於潮濕或多水的環境中時，該材料具有至少一個方向的變形和部分回復的能力。目前的用即棄產品可能在受到液體浸漬或在高溫和人體溫度條件下使用時會變形或變得不舒適，形狀的變化可能會產生滲漏問題。開發的這種產品和採用的方法可最大限度保持形變,從而防止滲漏。
3）溫度敏感型聚合物套用。用作織物的功能性塗層和功能性整理以獲得防水、透氣性織物，如軍用作戰服、運動服、登山服、帳篷等。利用聚氨酯的形狀記憶功能,調整好合適的記憶觸發溫度用於服裝襯布(袖口、領口等)，使其具有良好的抗皺和耐磨等性能,通過升高溫度使其回復其在使用過程中產生的皺痕達到原來的形狀。
2、在工程上的套用
將異形管結合．將形狀記憶聚合物JJ口熱向內插入比聚合物管徑大的棒料擴大口徑，冷卻後抽去棒料製成熱收縮管。使用時。將要結合的管料插入．通過加熱使聚合物管收縮．緊固．可用於線路終端的絕緣保護．通信電纜接頭防水。以及鋼管線路結合處的防護。
3、在醫學上的套用
形狀記憶聚氨酯纖維在醫學同形材料、運動護套、織物、人造頭髮。特別是在可生物降解的醫用組夠{縫合線等領域濕示廣闊的套用前景。
1）血管縫合線、止血鉗、醫用組織縫合線。先將縫合線拉伸200%，然後定形。手術完後，隨體溫的升高，手術線的形狀記憶回復．傷口逐漸被紮緊而閉合。
2）植人材料。熱敏形狀記憶聚氨酯可植入體內，放於需醫療的位置，通過體溫獲得需要的形狀，當完成其生理功能後，該植入材料在體內慢慢降解或被吸收，或被排放，這類材料無須進行第二次手術將所植入的材料取出，極大地減輕了病人的痛苦。可生物降解的植入材料的分子設計包括選擇合適的繼結點以固定聚合物的永久形變，選擇合適的分子鏈段充當開關鏈節．以及選擇合適的原材料和合成方法．以最大限度地減小毒性。另外還必須考慮生物相容件。
3）同形材料。形狀記憶聚氨酯酸形、固形、形狀回複方便，形狀記憶溫度易於調節．質輕、生物相容性好，透氣、抗菌．在醫療矯形方面得到廣泛套用。是石膏類同形材料的理想替代品。
