医用高分子材料及其应用范文

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篇1

【关键词】形状记忆；高分子材料；军事应用

1.形状记忆高分子材料简介

形状记忆高分子或形状记忆聚合物（SMP，Shape Memory Polymer）作为一种功能性高分子材料，是高分子材料研究、开发、应用的一个新分支。它是在一定条件下被赋予一定智能高分子材料的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状，并将其固定（变形态）。如果外部环境发生变化，智能高分子材料能够对环境刺激产生应答，其中环境刺激因素有温度、pH值、离子、电场、溶剂、反以待定的方式和规律再一次发生变化，它便可逆地应物、光或紫外线、应力、识别和磁场等，对这些刺激恢复至起始态。至此，完成记忆起始态固定变形态恢复起始态的循环。

1989年 ，石田正雄认为 ，具有形状记忆性能的高分子可看作是两相结构 ，即由记忆起始形状的固定相和随温度变化能的可逆的固化和软化的可逆相组成。可逆相为物理铰链结构 ，而固定相可分为物理铰链结构和化学铰链结构，以物理铰链结构为固定相的称为热塑SMP，以化学铰链结构为固定相的称为热固性SMP。王诗任等认为 ，形状记忆高分子实际上是进行物理交联或化学交联的高分子，其形状记忆行为实质上是高分子的粘弹性力学行为。他们根据高分子粘弹性理论建立了一套形状记忆的数学模型。总结来说，形状记忆机理可分为：组织结构机理、橡胶弹性理论、粘弹性理论。

2.军事材料特殊性分析

未来战争是高技术条件下的战争。不仅战场环境变得更加恶劣复杂，各种类型的雷达，先进探测器以及精确制导武器的问世，对各类武器和装备构成了严重的威胁。因此，不仅军事装备的质量要求一定可靠，而且，军事装备的再生性和快速制造能力也被提到了新的高度。

军事装备系统的可靠性（The Reliability of Armaments system）是指军事装备系统在规定的时间内，预定的条件下，完成规定效能的能力。要求装备在特定的条件下长期存放和反复使用过程中，不出故障或少出故障，处于正常的使用状态，且能实现其预期效能。因此，军事材料必须拥有极强的性能和超长的工作寿命。军事装备的再生能力，指的是军事装备受到损坏后，能够迅速进行战场抢修的能力。战场再生能力是提高装备战斗力的重要组成部分。形状记忆高分子材料具有许多优异的性能，因此此类材料对于军事方面的贡献就十分明显。在前期制造方面，由于其快速恢复能力，可以在很短的时间内完成对零部件连接、整合，为战争赢得极宝贵先机时间。在对装备恢复方面，我们可以将记忆前的材料制造为较为规则，使用面积较小的部件，单一运输时可以减缩空间，从而提高运输效率，极大地提高了战场的再生能力。

3.形状记忆高分子材料在军事方面应用展望

目前，形状记忆高分子材料在军事方面的成熟应用主要体现在在战机的连接，加固，军事通讯设备，战争医疗设备等方面。

3.1战机接头连接

在军事战斗机上通常装有各种不同直径的管道， 对于一些异径管接头的连接， 形状记忆高分子材料可以大显身手。其大致工艺过程如下： 先将形状记忆高分子材料加工成所要求的管材， 然后对其加热使管材产生径向膨胀， 并快速冷却， 即可制得热收缩套管。应用时， 将此套管套在需要连接的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点以上（低于一次成形温度）， 膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头上。

3.2紧固销钉

在战斗机的制造工艺中， 需应用大量的连接件进行连接。采用形状记忆高分子材料制作紧固销钉，将是战斗机制造业中的一项崭新工艺技术。

（1）先将记忆材料成形为销钉的使用形状；（2）再将销钉加热变形为易于装配的形状并冷却定型；（3）将变形销钉插入欲铆合的两块板的孔洞中；（4）将销钉加热即可回复为一次成形时的形状， 即将两块板铆合固定。

3.3军事通讯设备

形状记忆高分子材料在军事通讯设备方面的应用同记忆合金比较相似。后者在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。而高分子材料通常具有很好的绝缘性能，因此在通讯设施中不需要导电的部件中，用形状记忆高分子材料代替，以获得我们预期的目标，从而提高部队的携带能力。

3.4军事医疗设备

在需要单兵作战的特殊场合，由于单兵的辎重，装备等携带能力的限制，需要在有限的或体积下携带比较充足的医疗设施，从而为军人的生命恢复提供必要的保障。利用低温形状记忆特性的聚合物聚氨酯、聚异戊二烯、聚降冰片烯等可以制备用作矫形外科器械或用作创伤部位的固定材料，比如用来代替传统的石膏绷带。方法有2种：一是将形状记忆聚合物加工成待固定或需矫形部位形状，用热水或热吹风使其软化，施加外力使其变形为易于装配的形状，冷却后装配到待固定或需矫形部位。再加热便可恢复原状起固定作用，同样加热软化后变形，取下也十分方便；二是将形状记忆聚合物加工成板材或片材，用热水或热吹风使其软化，施加外力变形为易于装配形状，在软化状态下装配到待固定或需矫形部位，冷却后起固定作用，拆卸时加热软化取下即可。形状记忆材料与传统的石膏绷带相比具有塑型快、拆卸方便、 透气舒适、干净卫生、热收缩温度低、可回复形变量大的特点，可望在矫形外科领域及骨折外固定领域得到广泛应用。

4.结束语

目前，对形状记忆材料的研究才刚刚开始，尚处于初级阶段。形形状记忆高分子材料虽然具有可恢复形变量大、记忆效应显著、感应温度低、加工成型容易、使用面广、价格便宜等优点，但尚存在着许多不足之处，如形变回复不完全、回复精度低等。因而，在形状记忆高分子材料的分子设计和复合材料研究等方面，还有待于进一步探索。另外，应根据现实需要开发新型的形状记忆高分子或对原有的形状记忆高分子有针对性地进行改性。因此， 在今后的研究工作中， 应充分运用分子设计技术及材料改性技术， 努力提高材料的形状记忆性能及综合性能， 开发新的材料品种， 以满足不同的应用需要。另外， 还应注重新材料的实际应用， 早日形成工业产量，为我国的军事建设及各项国民经济建设服务。

【参考文献】

[1]张福强.形状记忆高分子材料.高分子通报，1993，（1）：34-37.

[2]石田正雄.形状记忆树脂[J].配管技术，1989，31（8）：110-112.

[3]王诗任，吕智，赵维岩，等.热致形状记忆高分子的研究进展[J].高分子材料科学与工程，2000，16（1）：1-4.

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关键词：超细纤维；生产技术；研究进展

1 超细纤维概述

随着纤维技术的发展，纤维的功能得到了大幅的提高，对纤维的功能性和舒适性等的要求也越来越高，同时非服装行业对织物特殊性能的要求，促进了功能纤维比重的增加。目前，超细纤维纺织品在医学、环保、能源、人体防护和卫生保健等领域得到了广泛的应用[1]。纤维直径是衡量纤维细度最具可比性的物理量，但实际应用中常采用线密度表征纤维细度（ρl）。线密度定义为“质量除以长度”，单位特[克斯]，符号tex。1km长纤维的质量为1g时，称该纤维的线密度为1特[克斯]，即1tex=1g/km。一般而言，单纤维线密度为0.1～1.0分特[克斯]（dtex）的纤维属于超细纤维。纤维越细越表现出优异的性能。主要归纳如下：（1）线密度相同的复丝或纱线，其单纤维根数越多成纱能力越高；（2）单纤维密度越小，抗弯曲刚度越低，纱线及织物的手感越柔软；（3）单纤维直径越小，纤维比表面积越大，吸附性增强，去污力、过滤性能好，毛细效应强；（4）单纤维直径越小，单位面积织物的密度越高，织物保暖性越好，具有防水透气性。但是单纤维线密度较小也带来一些缺点，如染整加工时上染速度快、染料吸收量大，但显色性、染色牢度差。

2 超细纤维生产技术

目前比较成熟的超细纤维制造方法见表1[2]。生产方法决定了

纤维线密度的大小，常规纺丝法得到的超细纤维线密度为0.30～1.0dtex，物理（或化学）剥离法可制得0.10～0.50 dtex的超细纤维，复合海岛法可得到0.03～0.06 dtex的超细纤维，共混海岛法可得到0.0003～0.0008 dtex的超细纤维。

3 超细纤维的应用

超细纤维具有许多优异的特性，如弯曲刚度很小、有较大的比表面积、直径小（可制成超高密织物），因而应用广泛，可用于人工皮革、纺织品、隔膜材料、医用材料等众多领域。然而超细纤维还有许多特性未被发现，因此还有许多应用有待开发。根据超细纤维的特性，可将它们的用途简单归纳如下（见表2）[2]：

4 超细纤维研究进展

超细纤维的发展是从复合纺丝技术的成功开始的，分为三个阶段[2]：第一阶段为20世纪70年代，主要研究内容是如何制造超细纤维；第二阶段是1981年至1985年期间，该阶段主要研究开发超细纤维的实际应用，为超细纤维的商品应用开发阶段；第三阶段从1986年后至今，主要是研究和发掘超细纤维功能的时代，由于超细纤维的纤维细度对其功能有很大的影响。因此，该阶段也有很多工作是以如何获得更细的纤维为目的展开的。尽管人们对超细纤维的认知在不断的加深，但仍然有很多特性未被知晓。

近年来，随着纳米技术的发展及其应用领域的不断扩展，使得纳米纤维技术也成为国内外学者的研究热点。纳米纤维是指直径在纳米尺寸（1～100nm）范围内的纤维。目前，纳米纤维的制备方法有多种，包括拉伸法、微相分离法、自组装法、AAO模板法、静电纺丝法等，但是除静电纺丝法外，其它纳米纤维制备方法无法直接、连续制备纳米纤维，难以工业化量产，且制备的纤维直径通常在500nm以上，而静电纺丝则能制备出最小直径达1nm的超细纤维。

国外关于静电纺丝的研究起步较早，主要集中在纺丝条件、装置和方法的创新、理论模型的建立等方面。Deitzel等[3]研究了包括纺丝液浓度、纺丝电压等在内的工艺参数对静电纺纳米纤维外观形貌的影响，证明了静电纺纳米纤维织物的宏观形貌和静电力场效应有关系。Reneker等[4]研究了各工艺参数（包括固化距离、表面张力、聚合物浓度、粘度、溶液密度等）对射流半径的影响。国内关于静电纺丝的研究开始于2002年，着重于工艺参数对纤维外观形貌和直径的影响研究。傅杰财等[5]研究了静电纺丝中控制纤维形貌的方法，发现可通过控制有溶剂挥发速率和溶液相分离速率而达到控制纤维形貌的目的。高晓艳等[6]利用静电纺丝方法制备了聚酰胺6（PA

6）纳米纤维复合材料，能够有效地改善传统过滤材料的过滤效率。

5 结束语

生物仿生、智能传感超细纤维材料具有很好的应用前景，将成为研究及应用的热点。随着静电纺丝技术的发展和普及，具有纳米、微米级尺度的超细纤维的制备变得更为简易、性能可控，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]侯琳熙，韩玉平，魏丹毅，等.超细纤维的功能性应用及生产现状[J].山东纺织经济，2007（3）：84-86.

[2]张大省，王锐.超细纤维发展及其生产技术[J].北京服装学院学报（自然科学版），2004，24（2）：62-68.

[3]Deitzel J M， Harris D， et al. The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers and textiles [J]. Polymer，2001，42（1）：261-272.

[4]Reneker D H， Yarin A L， et al. Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning [J]. Journal of Applied Physics， 2000， 87（9）：4531-4547.

[5]傅杰财.静电纺丝中形貌控制及其应用[D].兰州大学，2014.