上海交大刘河洲团队 CEJ：具有优异机械性能的无应力双向形状记忆聚合物

2023-06-23 来源：高分子科技

形状记忆聚合物在柔性设备、软体机器人和仿生设计等领域有着极大的应用前景。根据材料的形状记忆行为可以将其分为单向形状记忆聚合物（1WSMP）和双向形状记忆聚合物（2WSMP）。相比较于1WSMP，双向形状记忆聚合物可以实现更复杂的运动，适应更多的使用场景。然而，目前的双向形状记忆聚合物普遍存在模量较大，断裂伸长率较低等缺陷，限制了其实际的应用。

针对上述问题，上海交通大学刘河洲、陈玉洁和上海第一人民医院俞银贤团队设计并制备了一种具有极佳机械性能的双向形状记忆聚氨酯材料。研究团队通过调控该聚氨酯中结晶型聚合物链段（聚己内酯和聚乙二醇）和无定型聚合物链段（聚丁二烯）的比例来控制材料中交联密度、氢键密度、微相分离等特性，并可以实现最大2342%的拉伸应变、591 MPa的真实抗拉强度、708.04 J/kg的能量密度和667.96 W/kg的功率密度等性能。基于该材料优秀的机械性能，其可以用于提升超过自身质量60000倍物体。该聚氨酯还具有良好的形状记忆效应，其形状固定率和回复率均可实现98%以上。此外，该材料具有双向形状记忆行为，在1MPa应力下可实现最大24.53%的可逆转变。在这种聚氨酯中，弹性聚丁二烯链段可以作为“分子弹簧”储存和释放应力，从而在没有外部应力的情况下可实现最大13.7%的双向形状变化。研究团队分别探索了其在人工肌肉，柔性驱动器和人工韧带等方面的应用可能性。

图1 （a）聚氨酯的制备

图2.聚氨酯的热力学性能和机械性能表征

图3.聚氨酯的形状记忆行为。

图4.聚氨酯的双向形状记忆行为。

图5. 无应力下聚氨酯的双向形状记忆行为。

图6.聚氨酯在人工韧带方面的应用探索

该工作通过分子设计构造了同时具有良好机械性能和形状记忆效应的聚氨酯材料。该材料解决了双向形状记忆材料高模量和低断裂伸长率等缺陷，为制备优良性能形状记忆聚合物制备提供了新的思路。该材料还在人工肌肉，柔性器件和人工韧带等领域有着一定的应用前景。相关工作成果以《Ultra-tough and Stress-free Two-way Shape Memory Polyurethane Induced by Polymer Segment “Spring”》发表在Chemical Engineering Journal上，上海交通大学博士生郭宇通为第一作者，上海交通大学刘河洲教授，陈玉洁副研究员和上海第一人民医院俞银贤副主任医师为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144212

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（责任编辑：xu）

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