聚合物分子链梯度结构设计实现多形状记忆功能的研究

Multi-shape memory polymers have the capability of memorizing several temporary shapes. They can automatically change their shapes sequentially when exposed to certain stimulus. Due to their ability to accomplish predefined complicated actions they show great potentials in numerous high-tech fields such as medical devices, aircraft facilities and smart electronic devices. Therefore, they have attracted tremendous research interests recently. However, in all the methods realizing multi-shape memory capability special system is employed. There still lack a general method for various polymeric materials. In this project, the applicant for the first time propose a general method by designing the polymer chain sequence into a gradient structure to realize the multi-shape memory property. The applicant intends to reveal the mechanism of multi-shape memory effect realized by gradient polymer chain sequence and study semi-batch RAFT emulsion polymerization to prepare polymers with high molecular weight and precisely controlled chain sequence. In this project the gradient copolymer's phase segregation behavior and the evolution, its chain entanglement, mechanical and rheological properties will be studied. These studies will make scientific significance by contributing to the knowledge of the relationships between chain sequence, phase aggregation and the properties, improving designing and manipulating capability of polymer chain sequence.

多形状记忆聚合物材料可记忆多个暂时形状，在外部刺激时，自动按照预先设定次序完成一系列形状变化，实现复杂动作，在医药器械、航天展开装置、电子智能器件等领域有极大的潜在应用价值，吸引了广泛研究兴趣。但是，目前文献报道具有多形状记忆功能的体系均较为特殊，尚无通识方法。在本项目中，申请者拟通过设计聚合物分子链序列结构为梯度结构实现多形状记忆功能，该方法有望发展成为一种设计、制备多形状记忆材料的通用方法。申请者拟研究分子链梯度结构设计实现多形状记忆功能的机理，研究半连续进料RAFT乳液聚合以实现对分子链序列结构的精确控制。本项目研究将揭示梯度共聚物独特的凝聚态及其动态演变，明确其独特力学、流变及链缠结性质，对加深聚合物分子链序列结构与聚集态、宏观性能之间关系认识，提高聚合物分子链序列结构的设计、调控水平有重要的科学意义，并推动多形状记忆材料的发展。

多形状记忆聚合物材料是一种可以伴随外界刺激完成预先设定多次形状变化的智能材料，因此可自发完成一个复杂的动作，在智能包装、航天装置多级展开、医疗器械等领域有巨大的潜在应用价值。然而，目前多形状记忆材料的合成大多需要极其复杂的过程，而对多形状记忆材料的变形机理及性能优化更是研究甚少。本课题从聚合物材料的链序列结构和相结构出发，设计了双向梯度共聚结构聚合物和胶乳共混插入转变相等体系，探索了多形状记忆材料的制备方法，深入研究了多形状记忆材料的变形机理，完成了多形状记忆材料的性能优化。此外，还揭示了梯度共聚物在力学性能、导离子性能等方面的奇异性。在制备具有双向梯度共聚结构的聚合物时，采用半连续进料RAFT乳液聚合技术，以苯乙烯、丙烯酸正丁酯为研究体系，可以在7小时内制备出分子量高达9万的梯度共聚物，其具有一个大小介于两均聚物Tg间的、连续的宽转变区间，宽度可超过100oC，其聚集态结构存在宽且模糊的过渡区间，使得材料在拉伸过程中表现出强而韧的性能，而且材料可以实现最多五次形状记忆效果，这为制备热塑性多形状记忆材料提供了一条简单、有效且廉价的路线。我们又以苯乙烯、丙烯酸甲酯为研究体系，设计不同具有同壳异核结构的胶乳，并通过胶乳共混得到多个相，深入研究了相占比及形貌对各个形状记忆区间固定效率和回复效率的影响，设计了一种可以完成四次形状记忆的聚合物材料，并保证每个形状记忆区间的固定效率和回复效率均超过80%，这是目前已报道的多形状记忆材料最佳性能。为了解决多形状记忆材料中间形状难以设定的难题，合成了一系列结构为聚苯乙烯-b-聚（苯乙烯-random-丙烯酸甲酯）-b-聚苯乙烯的三嵌段共聚物，并将该材料作为3D打印的原材料进行空间组合，得到的复合材料具备多形状记忆的功能，不需设定中间形状，为目前首次报道3D打印多形状记忆材料。该课题研究对多形状记忆材料的应用有积极的促进作用，对多相聚合物体系的制备、结构与性能关系研究有重要的科学意义。