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上海交大劉河洲團隊 CEJ：具有優異機械性能的無應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備、軟體機器人和仿生設計等領域有著極大的應用前景。根據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現更復雜的運動，適應更多的使用場景。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，限制了其實際的應用。

針對上述問題，上海交通大學劉河洲、陳玉潔和上海第一人民醫院俞銀賢團隊設計并制備了一種具有極佳機械性能的雙向形狀記憶聚氨酯材料。研究團隊通過調控該聚氨酯中結晶型聚合物鏈段（聚己內酯和聚乙二醇）和無定型聚合物鏈段（聚丁二烯）的比例來控制材料中交聯密度、氫鍵密度、微相分離等特性，并可以實現最大2342%的拉伸應變、591 MPa的真實抗拉強度、708.04 J/kg的能量密度和667.96 W/kg的功率密度等性能。基于該材料優秀的機械性能，其可以用于提升超過自身質量60000倍物體。該聚氨酯還具有良好的形狀記憶效應，其形狀固定率和回復率均可實現98%以上。此外，該材料具有雙向形狀記憶行為，在1MPa應力下可實現最大24.53%的可逆轉變。在這種聚氨酯中，彈性聚丁二烯鏈段可以作為“分子彈簧”儲存和釋放應力，從而在沒有外部應力的情況下可實現最大13.7%的雙向形狀變化。研究團隊分別探索了其在人工肌肉，柔性驅動器和人工韌帶等方面的應用可能性。

圖1 （a）聚氨酯的制備

圖2.聚氨酯的熱力學性能和機械性能表征

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用探索

該工作通過分子設計構造了同時具有良好機械性能和形狀記憶效應的聚氨酯材料。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域有著一定的應用前景。相關工作成果以《Ultra-tough and Stress-free Two-way Shape Memory Polyurethane Induced by Polymer Segment “Spring”》發表在Chemical Engineering Journal上，上海交通大學博士生郭宇通為第一作者，上海交通大學劉河洲教授，陳玉潔副研究員和上海第一人民醫院俞銀賢副主任醫師為通訊作者。

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

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（責任編輯：xu）

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