KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 高性能形状记忆聚酰亚胺的制备及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
杨增辉
| |
| Thesis Advisor | 王齐华 ; 王廷梅 |
| 2018-05-24 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 形状记忆聚合物 聚酰亚胺 高转变温度 形状重构 Shape Memory Polymer Polyimide High Transition Temperature Shape Reconfiguration |
| Abstract | 形状记忆聚合物（shapememorypolymer,SMP）作为一类智能响应性的材料，具有在外界刺激下（如热、光、电、磁场等）由暂时形状回复至原始形状的能力。由于形状记忆聚合物具有大形变、性能可调控等优点，在生物医学、功能化器件、纺织工业、航天航空等领域展现出了潜在的应用价值，研究人员对其开展了广泛而深入的理论和实验研究。本文综述了近年来SMP的研究进展，详细介绍了SMP的新突破、新应用。针对现有SMP的转变温度较低无法应用到空间可展开等复杂环境的瓶颈问题，探索了聚酰亚胺的形状记忆机理，系统研究了单体结构、聚合物分子量、交联度、支化度、热机械条件等因素与热机械性能、形状记忆性能、力学性能、大分子链聚集态结构等的作用关系，并设计制备了高性能的形状记忆聚酰亚胺；针对传统的热固性SMP一旦固化成型形状很难改变，且制备复杂的形状更是需要复杂的模具和繁杂过程的难题，利用聚合物交联网络中引入动态共价键的方法制备了形状可再塑、可再加工利用的SMP。主要研究内容和结论如下： 1.聚酰亚胺形状记忆机理探讨。制备了热塑性及热固性的聚酰亚胺，探究了分子量、交联度对热机械性能、热稳定性以及形状记忆性能的影响规律，同时总结归纳了聚酰亚胺形状记忆的机理，建立了理论模拟分析。得出热塑性聚酰亚胺的形状记忆主要源于大分子链间的缠结、电荷转移、π-π堆积等物理相互作用作为交联点，而玻璃化转变作为可逆转变相；热固性聚酰亚胺的形状记忆来自于大分子链间化学交联作为交联点，玻璃化转变作为可逆转变相。 2.高性能形状记忆聚酰亚胺的设计制备。利用自由共聚或共混的方法在聚酰亚胺骨架中引入刚性单元，增强了热塑性聚酰亚胺分子链间的物理相互作用，制备了力学性能优异、热稳定性好、形状记忆性能优异的热塑性形状记忆聚酰亚胺，并且能够根据单体结构的不同广泛调控聚酰亚胺的性能。更重要的是，在聚酰亚胺中引入刚性结构单元后拓宽了玻璃化转变温度，首次实现了聚酰亚胺的三段形状记忆性能。另外，我们通过在聚酰亚胺中引入支化点，降低分子链间的物理相互作用，制备了超支化的形状记忆聚酰亚胺。发现支化度增大之后，形状记忆性能降低，但是由于支化单元的存在创造了微孔的结构，结合聚酰亚胺中丰富的氧、氮等杂原子实现了对二氧化碳的捕获，拓宽了形状记忆聚酰亚胺的应用。 3.聚酰亚胺形状记忆性能的影响因素及结构演变。为了优化共聚聚酰亚胺的形状记忆性能，详细探讨了拉伸应变、变形温度、回复温度、加热速率等对形状记忆性能的影响，同时讨论了变形温度对三段形状记忆性能的影响。蠕变恢复测试发现，共聚聚酰亚胺具有优异的蠕变抵抗特性，归功于聚酰亚胺分子链间强的相互作用，保证了形状记忆的稳定性。为进一步说明聚酰亚胺在形状记忆热机械循环中大分子链堆积结构的演变，以自由共聚的方式制备了两种不同结构的共聚聚酰亚胺。一种是含有恶唑结构的聚酰亚胺，由于分子链间强的相互作用和有序堆积使得形状记忆热机械循环对内部大分子链结构的影响甚微，确保了高性能的形状记忆；另一种含有咪唑的聚酰亚胺，尽管具有高的玻璃化转变温度，但是其形状记忆性能不佳，且回复率随着形状记忆热机械循环的增加而逐渐增加。通过二维广角X射线衍射（2D-WAXD）分析发现，随着热机械循环的增加，含咪唑的聚酰亚胺的大分子链堆积结构不断趋向有序化，物理相互作用增强，形状回复性能提高。 4.形状可重构的热固性形状记忆聚合物。为解决热固性形状记忆聚合物一旦交联固化形状难以改变的难题，制备了具有动态共价键（dynamiccovalentnetworks，DCNs）的热固性环氧基形状记忆聚合物。在玻璃化转变温度附近由于聚合物的熵弹性，热固性环氧Vitrimer具有优异的形状记忆性能。在动态共价键交换反应的温度，催化剂作用下由于发生快速的酯交换反应，能够实现固态下的原始形状的再塑。因此，不同维度的复杂形状能够很容易得到且新的形状仍具有优异形状记忆性能。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25248 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 杨增辉. 高性能形状记忆聚酰亚胺的制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 201848杨增辉.pdf（10295KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment