论文总字数：21935字

摘 要

形状记忆聚氨酯材料因其优异的理化特性和生物相容性，在生物医学领域表现出很好的应用前景。然而，由于形状记忆聚氨酯是一类由两种不同的高分子材料聚合而成的嵌段共聚物，且这两种聚合物拥有两个不同的玻璃化转变温度。这两个组分如果无法完全互容，则可能导致相分离的产生。本课题拟通过设计并优化软、硬段材料的种类和比例等方式，制备一种能够满足生物医学要求（形变温度接近人体温度）的形状记忆聚氨酯材料，并拟通过DSC、DMA、热重及形变性能检测等方法对所制备材料的理化特性等进行研究。相信随着材料研究的不断深入，形状记忆聚氨酯会广泛的出现在生物医学研究与应用之中。

关键词：形状记忆材料；聚氨酯；生物医用材料；形变性能

Preparation and Deformation Properties Characterization of Polyurethane Shape Memory Materials

Abstract

Because of its excellent physical and chemical properties and biocompatibility, shape memory polyurethane materials show good application prospects in the field of biomedicine. However, shape memory polyurethane is a type of block copolymer polymerized by two different polymer materials, and these two polymers have two different glass transition temperatures. If the two components are not completely compatible, it may lead to phase separation. This topic intends to prepare a shape memory polyurethane material that can meet the requirements of biomedicine (the deformation temperature is close to the human body temperature) by designing and optimizing the types and proportions of the soft and hard segment materials. Deformation performance testing and other methods are used to study the physical and chemical properties of the prepared materials. It is believed that with the continuous deepening of material research, shape memory polyurethane will appear widely in biomedical research and application.

Keywords: Shape memory materials; polyurethane; biomedical materials; deformation properties；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 形状记忆材料 1

1.2 形状记忆聚合物发展现状 1

1.3 形状记忆聚合物的记忆机理 3

1.4 形状记忆高分子材料的驱动方式 4

1.4.1 热致型形状记忆高分子材料 4

1.4.2 电/磁型形状记忆高分子材料 4

1.4.3 光致型形状记忆高分子材料 4

1.4.4 化学反应型形状记忆高分子材料 5

1.5 形状记忆聚氨酯 5

1.6 课题研究的内容及意义 7

第二章 材料的制备与表征 9

2.1 实验方案 9

2.1.1 实验原料 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2 预聚合成方法制备形状记忆聚氨酯 9

2.3 异氰酸基（-NCO）的含量测定 10

2.4 形状记忆聚氨酯的制备 10

2.4.1 形状记忆聚氨酯的制备 10

2.4.2 异氰酸基（-NCO）的含量测定 11

2.5性能表征 11

2.5.1 差式扫描量热测试 12

2.5.2 动态热机械性能分析 12

2.5.3 热重分析 13

2.5.4 形状记忆性能的测试 14

第三章 实验结果与讨论 15

3.1 形状记忆聚氨酯的DSC分析 15

3.2 形状记忆聚氨酯的DMA分析 16

3.3 形状记忆聚氨酯的热失重曲线 16

3.4 形状记忆聚氨酯的形状记忆表征 17

第四章 结论与展望 18

参考文献 19

致谢 24

第一章 绪论

1.1 形状记忆材料

随着人们对科技的探索与新兴技术的发展。为了满足人们的生活需求与科研领域的科学需求，各个行业的人士对新型材料的研究变得十分重视，也十分渴望能有一些新型材料的诞生。至此，一种具有形状记忆功能的材料出现在人们的视线当中。而这种材料的启蒙点在于某些动物或植物响应环境条件而主动改变形状的自然现象。这类现象在自然界中是司空见惯的，对于动物与某些植物而言，此项属性还是它们在自然界中赖以生存的关键。举个例子，向日葵为了实现最大化曝光，随着太阳的移动而改变头状花序的方向，这也是众多有趣的例子中最常见的一个。除此之外还有金星捕蝇器的打开和关闭可以捕获猎物，以及牛鱼皮层的微观形状发生变化，从而可以宏观地改变颜色。形状记忆材料就是类似于这样的能集驱动和感知于一体的新型智能材料。而形状记忆效应的发现要追溯到二十世纪五十年代，是由美国的科学家在一种合金发现的。而短短过了几十年，形状记忆材料已经在各个领域被广泛的应用，并且还在蓬勃发展中。不得不说形状记忆材料的发展不可谓不迅速，随着科技的发展，越来越多的形状记忆材料出现在我们的日常生活中。

1.2 形状记忆聚合物发展现状

形状记忆聚合物是一类经形变固定后在外界刺激条件下（如光、电、热等）可以临时变形，再次受到相应刺激后又可以恢复原始形状的高分子材料^[1]。这类聚合物材料一般拥有三个状态：最开始被固定的起始态，外部条件发生改变后，形状随之改变并固定的变形态，最后外部环境再以某种特定的方式或规律发生二次变化，材料又能恢复到起始态。材料也就完成了从记忆起始态到固定变形态的转变再到恢复起始态的循环。这就类似于自然界中所观察到的生物智能行为，故而具备这种特殊性能的聚合物也就被称为智能聚合物。

形状记忆材料，尤其是在形状记忆合金，在传感器，换能器，致动器和医疗植入物等方面拥有了广泛的技术应用，因此也探索与研究出了更多的新型形状记忆材料。现如今，已经研究出的形状记忆聚合物大多数是热响应性的。即，可以在临界温度（称为转变温度或转换温度）下消除它们的暂时变形或恢复其永久形状。一般来说，这些聚合物通常具有决定其永久形状的交联结构（化学交联或物理交联），它们的形状记忆通常基于玻璃化转变或熔融。由于不同的聚合物表现出不同的玻璃化转变温度和熔融温度，因此它们可以在各种温度下显示出形状记忆效应，满足了实际应用的不同要求^[2]。与金属合金相比，形状记忆聚合物具有更好的化学结构，这也为材料赋予了多功能性，除此以外较低的制造成本，更易于预处理都是相比于合金材料的优点。现如今形状记忆聚合物已经广泛应用于医学、纺织、航空航天等领域。图1-1 展现了形状记忆聚合物受体温影响随着时间变化。

随着人们的环保意识逐渐增强，及医学应用方面的需要，形状记忆聚合物在未来必定会朝环保化与更加有机化方向发展。而这也是形状记忆聚氨酯的主要发展趋势之一，之后研究人员将优化形状记忆聚氨酯的形状记忆性能，提升综合性能。并且在已有的刺激方式下改变或是间接生成新的形状记忆的刺激方式，这样不仅可以为材料增加新的性能还能扩张材料的应用范围与环境。除此之外，形状记忆效应的发展必定为新材料的开发与应用提供理论基础。

1.3 形状记忆聚合物的记忆机理

形状记忆聚合物若要产生形状记忆效应是需要通过特殊的内部结构设定相应的程序式的形态变化，如图1-2为SPM的总体结构所示。就以形状记忆聚氨酯为例，其主要是由低聚物多元醇为软段和多异氰酸酯为硬段所组成的一种嵌段共聚物。SMPU的T_g是由T_g较低的聚合物决定，而SMPU的软化点则是随着T_g较高的聚合物确定，故形状记忆聚氨酯的高弹态温度分布范围也会相应的变的比较宽，这也是形状记忆聚氨酯分子链的软段和硬段具有不同的T_g的原因。

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