【引言】

    眾所周知，聚合物的力學(xué)性能和體積隨溫度的變化而變化，這是因?yàn)槠渲蟹肿渔溊p結(jié)和/或物理和化學(xué)交聯(lián)作用的存在的緣故。這些性能的改變以熱轉(zhuǎn)變的形式表現(xiàn)，包括玻璃化（Tg）、熔融（Tm）和液態(tài)-晶相（TLC）轉(zhuǎn)變。當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)被加熱到這些溫度以上，變形并冷卻，形狀會(huì)暫時(shí)保持。如果聚合物的變形只是導(dǎo)致了橡膠中無(wú)定型區(qū)域中構(gòu)象的改變而沒(méi)有產(chǎn)生分子鏈滑移，當(dāng)加熱到這些轉(zhuǎn)變溫度之上時(shí)，就能恢復(fù)它原始的形狀。這種現(xiàn)象被稱作形狀記憶效應(yīng)（SME）。而能夠儲(chǔ)存暫時(shí)形變并在熱或其他刺激下能恢復(fù)永久形變的聚合物被稱作形狀記憶聚合物（SMP）。近20年間，在SMP方面的研究取得了很大的進(jìn)展。雖然動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA）也被用來(lái)定性評(píng)估材料的形狀記憶效應(yīng)，但利用單次DMA實(shí)驗(yàn)定量評(píng)估SME的研究卻并未被報(bào)道過(guò)。

    【成果簡(jiǎn)介】

    近日，美國(guó)克萊姆森大學(xué)的Urban教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)在研究聚合物粘彈特性和形狀記憶特性之間的定量關(guān)系上取得了重大突破。他們發(fā)現(xiàn)在聚合物中表現(xiàn)為定向延伸和隨后收縮的特殊的形狀記憶轉(zhuǎn)變能夠儲(chǔ)存構(gòu)象熵。而這種行為能夠被儲(chǔ)存的熵能密度（？Ss）、最大應(yīng)變（εmax）和應(yīng)力（σSF at εmax）來(lái)量化。此外，該團(tuán)隊(duì)還提供了定量評(píng)估形狀記憶效應(yīng)的方法，此方法適用于任何和具有玻璃化轉(zhuǎn)變和橡膠平臺(tái)的材料。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 a-c） 聚氨酯DMA測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

    圖1 為經(jīng)典的DMA測(cè)試數(shù)據(jù)曲線。從圖1中可以看出，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，材料的粘彈性參數(shù)（如儲(chǔ)能模量E‘、損耗模量E'’、損耗角正切tanδ、應(yīng)變值ε、靜態(tài)力和回復(fù)力）均發(fā)生了較大的改變，這就為利用材料的粘彈性預(yù)測(cè)SME提供了可能。

    圖2  A）聚氨酯片材中的形狀記憶效應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系和 B）形狀回復(fù)時(shí)間（tSR） 和DMA測(cè)試中的長(zhǎng)度變化對(duì)回復(fù)溫度的依賴性

    從圖2中可以看出，最小形狀回復(fù)時(shí)間溫度（TMSRT）與最大形變（εmax）溫度能夠良好匹配，這說(shuō)明SME是由長(zhǎng)度改變（ε）引起的。

    圖3 最大應(yīng)變（εmax）與DMA測(cè)試數(shù)據(jù)的聯(lián)系

    為了研究SME和材料熱機(jī)械響應(yīng)的關(guān)系，作者實(shí)驗(yàn)了大量的聚合物，包括各種均聚物、共聚物和教練聚合物，并將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在圖3中。從圖3中可以看出，聚合物的熱機(jī)械響應(yīng)間存在如下關(guān)系：

    圖4 儲(chǔ)存熵能量密度與DMA測(cè)試數(shù)據(jù)的聯(lián)系

    從圖4中可以看出，聚合物的儲(chǔ)存熵能量密度與粘彈特性之間存在一定的定量關(guān)系，關(guān)系如圖中擬合的直線方程解析式所示。

    圖5 儲(chǔ)存熵能量密度隨最大應(yīng)變值（εmax）和發(fā)生最大應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力（σSF at εmax）改變時(shí)的變化情況

    從圖5中可以看出，當(dāng)最大應(yīng)變值（εmax）和發(fā)生最大應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力（σSF at εmax）的乘積數(shù)值最大時(shí)，聚合物的儲(chǔ)存熵能量密度（？Ss）。由此提供了通過(guò)單次DMA測(cè)試定量預(yù)測(cè)聚合物SME的方法

    【小結(jié)】

    不同于之前研究中使用的應(yīng)變回復(fù)和固定比率的評(píng)價(jià)方式，此方法包含應(yīng)變、應(yīng)力和考慮到物理聚合物結(jié)構(gòu)的能量?jī)?chǔ)存、分子量、分子量分布和粘彈行為。因此能夠?qū)θ我饩哂胁ＡЩD(zhuǎn)變和橡膠平臺(tái)的材料通過(guò)單次DMA實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量的SME評(píng)估，簡(jiǎn)便、高效。