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新型智能高聚物材料及其工艺进展研究
  浏览次数:6405  发布时间:2019年06月04日 09:07:04
[导读] 智能高聚物发展的关键在于我们在分子水平上对世界的认识日益加深——以及我们在这一水平上操纵世界的能力。智能高聚物被给予成特殊的性能,能够与更复杂的环境相互影响,从而帮助或保护我们并达到节约能源的目的。
智能高聚物发展的关键在于我们在分子水平上对世界的认识日益加深——以及我们在这一水平上操纵世界的能力。智能高聚物被给予成特殊的性能,能够与更复杂的环境相互影响,从而帮助或保护我们并达到节约能源的目的。

这些新的聚合物有望在未来十年内普及,因为科学家们了解了使聚合物结构发生构象变化的化学和触发因素,并想出了利用和控制它们的方法。

让我们从量子隧穿复合材料(QTCs)开始,这是一种新型的导电智能聚合物复合材料,它推动了压力开关和传感材料技术的发展。QTCs使用量子隧穿操作:没有压力时,导电元件相距太远而不能导电。当施加压力时,它们移动得更近,电子可以穿过绝缘体。

这项专利技术是由Peratech有限公司在英国开发的。该材料是由金属填料颗粒与弹性体橡胶(典型的硅橡胶)组合而成。QTC具有独特的能力,当放置在压力下时,可以平稳地从绝缘体转变为类似金属的导体。

在无应力状态下,QTC材料是一种近乎完美的绝缘体.然而,随着任何形式的变形,材料开始传导,在足够的压力下,可以达到金属的电导率水平。


复合结构:常规(左)、QTC(中)和扫描电镜(右)

在传统的导电热塑性化合物中,导电粒子总是相互接触,形成一条恒定的导电路径。在用各种导电助剂改性的树脂中,增加导电添加剂的浓度可以缩短颗粒间的分离距离。

然后,在每个导电添加剂(渗流点)特有的临界浓度下,形成一条恒定的传导路径,使电阻急剧降低,电子快速移动。这些传统的填充导电聚合物往往表现出一定的导电性。

QTC含有金属颗粒,其结构不规则,表面为湿的、尖尖的金属表面,并由硅橡胶进行电绝缘。潮湿使金属颗粒接近但不接触,即使当QTC材料被挤压或密集负载时也是如此。

金属填充粒子表面的尖峰使更高浓度的电子电荷在其尖端形成局部的高电场。尖峰上电荷的增加有效地减少了电子电荷穿过并导电所需的距离和能量。这就是所谓的辅助场隧道。

当QTC被压缩时,金属填充粒子被更紧密地结合在一起,从而导电。在QTC被压缩时,势垒宽度进一步减小,导致隧穿概率的指数增加和电阻的指数下降。通过压缩、拉伸或扭转改变势垒宽度的能力使QTC具有独特的可控电性能。

QTC可以定制,以适应不同的力量、压力或触摸传感应用,小到羽毛传感或手指操作,大到重压应用。以其独特的性能,QTC可制成任何形状或大小的压力敏感开关。QTC开关和开关矩阵可以丝网印刷,可以开发和集成多达15微米的开关。

QTC也是低功耗的,可以在没有启动电阻的情况下设计接口。在没有压力的情况下,开关没有电源,也没有电流。当施加压力时,阻力与压力的大小成比例下降。这使得复杂的人机界面设计能够对压力的变化作出反应。潜在的应用包括智能服装、机器人和RFID/磁卡的安全。

接下来,让我们来看看形状记忆聚合物(SMP)快速复合制造工艺的进展。Cornerstone研究集团(CRG)的专利程序用VeriFLEXSMP取代昂贵的金属模具。CRG的SMP系统能够高温形成一个精确的主部件的负片图像,冷却,并使其保持新的形状。
与金属相比,SMP模具具有多种优势:
►相对便宜
►多模具制造能力
►简易原型生产
►温和脱模(VeriFLEX能够承受固化复合材料零件所需的高温而不变形)。


基石研究小组SMP模具技术(左)和SMP芯棒开发(右)

智能聚合物处理的角度来看,SMP芯轴也很优势。对于目前的制造技术来说,中心直径大于两端的物体是一个很难制造的形状,因为在复合材料固化后无法提取刚性的磁芯轴。

解决这一问题的传统方法包括多片或水溶性芯轴。刚性的多片芯轴复杂且劳动密集,水溶性的芯轴需要处理废料,而且成本高,耗时长。

VeriFLEXSMP可以放在一个翻盖模中,成型成一个复杂的弯曲芯棒并冷却。SMP智能芯轴可以被丝缠绕和保护,然后加热和移除。

内部热固性芯棒系统的优点包括:
●加快制造工艺
●降低开发和去掉芯轴的成本。
●提供了一个简单的提取过程
●可重复使用的具有形状多功能性的芯轴。

最后,让我们回顾一种吸能泡沫复合智能高分子材料.英国D3O公司有一种专利的吸能凝胶,它是一种以复杂的弹性体化合物为基础的剪切增稠材料。

这种凝胶作用在分子水平上。当缓慢移动时,“智能”分子将自由地从彼此身边滑过,使材料变得柔软和灵活。当被强迫快速移动时,就像在高能撞击中一样,当分子在网状结构中阻碍和锁定时,材料就会变硬,同时吸收和分配冲击力。

该材料被并入软泡沫基体。一旦合成,粘性液体和聚合物的混合物被倒进一个形状的模具,形成一个自我支持的吸能材料,是抗压缩集。该复合材料含有:
●一种固体泡沫合成聚合物,适当地具有弹性,最好是弹性体基体;
●一种聚合物基膨胀剂,不同于先前的固体泡沫合成聚合物,分布在基体中,并在制造前一固体泡沫合成聚合物时加入其中;
●一种通过所述矩阵分布的流体,所述基质、膨胀剂和流体的组合使所述复合材料具有弹性可压缩性,并且优选地也具有灵活性。
复合材料的弹性压缩性由分散在基体上的流体提供,能在2-5秒或更短的时间内恢复。
一种特别优选的膨胀剂含有由道康宁公司销售的以硼化硅氧烷为基聚合物的硼基硅氧烷(PBDMS)。潜在的应用包括用于肘部、膝盖、臀部和小腿的防护垫;或包括手套、头饰和运动用品在内的服装;以及车辆的能量吸收区。


冲击吸收D3O与聚氨酯-PU(左),D3O的网状吸收机制(中),D3O能量吸收保护织物垫(右)