微波响应型聚离子液体/聚乙烯醇互穿网络形状记忆聚合物研究

The aim of the present research is to desgin and sythesize microwave induced shape memory polymers (SMPs) based on poly(ionic liquid)/poly(vinyl alchohol) having fast recovery properties. We intend to design different kinds of imidazolium-and quarternary ammonium- based ionic liquid monomer (ILM) with high dielectric properties.The ILM will be introduced into crosslinked poly(vinyl alcohol) network using insuit polymerization to prepare SMPs having interpenetrating polymer networks. After that we will study the shape memory effect under microwave irradiation and the mechanism behind it. Compared with the present ligh, electricity and magnetic field remotely induced SMPs prepared by adding inorganic filler, the present studied material also can be remotely controlled, which completely comprises polymers and could effectively avoid the incompatibility between oragnic an inorganic materials, non-uniform heating or slow recovery rate. The project will systematically study the effect of several different factors on the products structre and properties, such as polymer backbones, the kind of cation groups, crosslinking density and the composition of interpenetrating polymer networks or the microwave irradiation power. We will detailedly study the relationships between sythesis condition and products properties, realizing the material sythesis of microwave induced SMPs with stable structure and properties, excellent shape recovery effect.

本项目致力于微波驱动下具有快速形变回复性能的聚离子液体/聚乙烯醇互穿网络形状记忆聚合物的研究。拟设计具有高介电性能的咪唑类和季铵类离子液体单体(ILM），通过原位聚合法将ILM引入到交联聚乙烯醇（PVA）基体中形成具有互穿网络结构的形状记忆聚合物（SMPs），考察微波辐照下材料的形状记忆性能。与该领域当前研究的靠添加无机填料实现光、电、磁等远程响应的SMPs相比，本项目研究的材料是完全基于聚合物的可非直接接触驱动的形状记忆材料，能有效避免无机与有机材料间相容性差及受热不均匀、回复速率慢等问题，进而获得微波作用下可快速回复、性能优良的SMPs。系统研究离子液体聚合物骨架、阳离子基团的种类、互穿网络的交联密度、组成的比例及辐射功率等条件对产物结构、性能的影响；详细研究所制备材料合成条件与性能间关系，实现微波作用下结构稳定、回复性能优异的SMPs制备。

本项目结合微波热原理、离子液体聚合物（PIL）和形状记忆聚合物（SMPs）的结构特性，目的是设计制备微波驱动下响应速度快（< 1 min）、回复率高（> 95%）、升温速率均匀且可实现远程驱动的、性能稳定的聚离子液体/聚乙烯醇互穿网络形状记忆聚合物并研究其形变回复特性。共设计合成了三种离子液体单体（ILM）：即苯乙烯基咪唑ILM、乙烯基咪唑ILM和季胺类离子ILM，再通过原位聚合法分别将不同的ILM引入到交联聚乙烯醇（PVA）基体中构筑了微波响应PIL/PVA互穿聚合物网络，制备了完全基于聚合物体系且性能稳定的微波响应型SMPs。所制备的不同类型ILM及对应PIL均聚物的结构均用红外、核磁进行了表征，证实了目标产物结构的准确性。.还分别对三种PIL及PIL/PVA互穿聚合物网络的热力学性能及各自形变回复性能进行了分析，复合材料于微波驱动下可在1 min内发生回复。同时还研究了PIL聚合物骨架、阳离子基团种类及互穿网络聚合物复合材料中PIL与PVA两组份组成的变化对材料综合性能的影响，并详细考察了材料的结构与合成条件、微波驱动功率与性能间的关系，实现微波辐照下具有结构稳定、回复性能优异的微波响应型SMPs材料的设计合成。.对于苯乙烯基咪唑类P[VBBI][BF4]/PVA来说，微波驱动形变回复随PIL含量的增加而增大，当P[VBBI][BF4]含量为30%时，形变回复性能最佳，微波输出功率为400 W时仅需20 s就可完全回复到起始形状。而对于具有相同咪唑阳离子的PIL来说，在PIL含量相同的情况下，乙烯基骨架的阳离子形成的复合材料其微波形变回复性能更好。在观察微波恢复性能的同时还研究了微波驱动PIL/PVA互穿聚合物网络SMPs的形变回复机理，由于PIL是由ILM聚合而成的，其分子结构中存在体积较大且极化率较高的有机阴、阳离子基团，因此有较高的离子密度和较好的介电性能，在微波辐照下离子基团会因交变电场的方向极化产生热量，为SMPs的形变回复提供所需能量。通过自动网络分析仪证实了复合材料的介电性能随PIL含量的增多而逐渐增大。由于PVA具有优异的形变回复性能和良好的生物相容性，是一种适合进行组织模拟、血管植入的生物材料，近些年在医用材料领域得到了很好的应用。同时微波作为一种强穿透力的电磁波近年来被用于医学治疗方面，如微波辐照人和动物体可刺激组织的修复和再生。