南京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文文獻(xiàn)翻譯

1、材料科學(xué)與工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯原文名稱(chēng) Remote Controlled Multishape Polymer Nanocomposites with Selective Radiofrequency Actuations 原文作者 Zhengwang He, Nitin Satarkar, Tao Xie, Yang-Tse Cheng, and J. Zach Hilt 原文出版物 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2011, 23, 31923196 翻譯內(nèi)容頁(yè)碼 31923196 中文名稱(chēng) 選擇性射頻遠(yuǎn)程

2、控制多型性聚合物納米復(fù)合材料學(xué)生姓名 管武榮 專(zhuān) 業(yè) 高分子材料與工程 學(xué) 號(hào) P1102110310 2015 年 1 月選擇性射頻遠(yuǎn)程控制多型性聚合物納米復(fù)合材料Zhengwang He, Nitin Satarkar, Tao Xie, Yang-Tse Cheng, and J. Zach Hilt形狀記憶聚合物（SMP）是一類(lèi)可使臨時(shí)形狀穩(wěn)定變形和通過(guò)外界條件刺激恢復(fù)它們初始的形狀的聚合物。1,2。SMP通過(guò)設(shè)置臨時(shí)形狀,然后執(zhí)行恢復(fù)初始的形狀的獨(dú)特能力已經(jīng)被使用在各個(gè)領(lǐng)域。許多原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā),包括血管內(nèi)清除血栓設(shè)備,3自動(dòng)放出可逆的干燥粘合劑,降解生物的自我緊縮縫合(4、5),6一個(gè)

3、活躍的微流體裝置,7自我修復(fù)表面,8組織工程支架,9和以皺紋為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制式系統(tǒng)。10大多數(shù)形狀記憶聚合物只能切換一個(gè)臨時(shí)的形狀和一個(gè)初始的形狀(即每個(gè)形狀記憶循環(huán)。雙層記憶效應(yīng))。這是有關(guān)雙層記憶聚合物僅有唯一形狀記憶轉(zhuǎn)變事實(shí),可逆的熱轉(zhuǎn)換(如一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變或融化轉(zhuǎn)變)，負(fù)責(zé)形狀發(fā)生變化。通過(guò)使用額外的化學(xué)11 - 13 或物理 14 限制形狀記憶轉(zhuǎn)變,形狀記憶聚合物變得能夠切換兩個(gè)臨時(shí)的形狀和一個(gè)初始的形狀(即。三倍形狀記憶效應(yīng))。相比之下,我們最近發(fā)現(xiàn),用廣泛的形狀記憶聚合物轉(zhuǎn)變可以顯示一個(gè)可調(diào)三倍甚至四倍高度形狀記憶效應(yīng)。15除了參與每個(gè)形狀記憶周期的形狀數(shù)量,恢復(fù)SMP的觸發(fā)機(jī)制是至關(guān)

4、重要的。雖然直接加熱是最常見(jiàn)的用于觸發(fā)恢復(fù)的方法, 許多實(shí)際的設(shè)置直接進(jìn)入加熱不是可行的, 如在體內(nèi)的應(yīng)用。因此,選擇遠(yuǎn)程觸發(fā)機(jī)制,如紅外線16和磁場(chǎng),(17、18)已經(jīng)開(kāi)發(fā)除了無(wú)遠(yuǎn)程觸發(fā)機(jī)制,包括水浸法19和電阻加熱(20、21)來(lái)實(shí)現(xiàn)其多功能性。22以前證明三倍形狀聚合物體系(11 - 15),這兩個(gè)臨時(shí)形狀隨后通過(guò)加熱或線性連續(xù)加熱恢復(fù)。在一個(gè)典型的熱機(jī)械分析儀(TMA) 控制加熱三倍形狀聚合物很容易實(shí)現(xiàn),但這樣做在環(huán)境設(shè)置中可能會(huì)遇到許多具有挑戰(zhàn)性的實(shí)際問(wèn)題。為了克服這個(gè)問(wèn)題,Kumar等人介紹了氧化鐵(Fe3O4)三倍形狀聚合物納米粒子。23利用兩個(gè)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一射頻(RF),

5、按順序讓兩個(gè)材料加熱到平衡溫度。因此,是以遠(yuǎn)程的方式兩步實(shí)現(xiàn)的。然而，無(wú)論何種控制機(jī)制,所有已知的恢復(fù)三倍形狀記憶聚合物系統(tǒng)始終遵循一個(gè)單一的路線:1)低溫臨時(shí)形狀,2)高溫度臨時(shí)形狀,3)和初始形狀(11 - 15)。在這里,我們報(bào)告一個(gè)多層組合SMP能夠遠(yuǎn)程和選擇性觸發(fā)多個(gè)臨時(shí)的恢復(fù)形狀。我們的方法是基于Fe3O4納米顆粒和碳納米管(碳納米管)可以選擇性地誘導(dǎo)兩個(gè)非常不同的射頻(RF)范圍(296千赫茲和13.56兆赫茲)發(fā)熱的原則。兩個(gè)納米填料可以嵌入到聚合物復(fù)合材料的不同位置,使其暴露在射頻場(chǎng)獨(dú)立加熱(恢復(fù))。這樣一個(gè)概念設(shè)計(jì)如圖1所示。目標(biāo)多層組合SMP包含三個(gè)區(qū)域:Fe3O4-SM

6、P(右區(qū)),平整的SMP(中心區(qū)域),CNT-SMP(左區(qū))。所有介紹到的三個(gè)區(qū)域中初始的連續(xù)形狀是首個(gè)臨時(shí)的變形形狀# 1。對(duì)于臨時(shí)形狀# 1,Fe3O4-SMP或CNT-SMP區(qū)域的恢復(fù)可以通過(guò)選定的射頻遠(yuǎn)程控制，在沒(méi)有其它區(qū)域的恢復(fù)下。這樣,其恢復(fù)初始形狀可以按照五個(gè)編號(hào)不同的恢復(fù)路線,包含五個(gè)不同的形狀聚合物。由于該方法依賴(lài)于選擇性的局部刺激，一個(gè)廣泛的形狀記憶轉(zhuǎn)變或多個(gè)不同的形狀記憶轉(zhuǎn)換，這是其它已知的多型性記憶的聚合物所必需的，在這里并不需要。更重要的是，選擇性遠(yuǎn)程控制的概念可以在形狀記憶聚合物上有利于其他刺激響應(yīng)系統(tǒng)刺激響應(yīng)。在圖1中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證概念描述,我們開(kāi)始個(gè)人制作Fe3O4-

7、SMP和CNT-SMP復(fù)合材料和評(píng)估它們的遠(yuǎn)程控制性能。綜合利用這兩種基于聚合物基體相同的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，對(duì)其形狀記憶性能進(jìn)行分析。(24、25)值得注意的是,平整的環(huán)氧SMP的彈性模量約為10 MPa。圖1。概念圖解各種形狀從臨時(shí)形狀# 1到初始的形狀恢復(fù)路線。五種恢復(fù)路線可能取決于序列。RF1和RF2分別代表無(wú)線電頻率的低和高。在所有五個(gè)恢復(fù)路線,最后一步總是通過(guò)直接加熱SMP中心地區(qū)恢復(fù)初始形狀，不包含任何填料。橡膠模量的交聯(lián)密度高,使材料適合應(yīng)用于高壓力恢復(fù)。4通過(guò)原位聚合使納米粒子填料引入SMP模型。8粒子載荷(環(huán)氧樹(shù)脂液體前驅(qū)的重量百分比)調(diào)整到5%重量的Fe3O4和0.4%重量

8、的碳納米管。平整的SMP樣本沒(méi)有任何納米顆粒也要合成和測(cè)試并作為參考。SMP納米顆粒色散和復(fù)合材料的形態(tài)使用掃描電子顯微鏡(SEM)表征。觀察到在一個(gè)較低的放大倍數(shù)下,均勻分散Fe3O4-SMP和CNT-SMP(圖2 a,c)。在更高的放大倍數(shù)下,進(jìn)一步研究Fe3O4納米粒子，發(fā)現(xiàn)在多粒子群下單獨(dú)分散(圖2 b,d)。在這里,Fe3O4凝聚是由于其高負(fù)荷和顆粒間的相互作用。使用差示掃描量熱法(DSC)和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析法(DMA)分析了混合的SMP和平整的SMP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。DSC結(jié)果(圖3)表明,盡管平整的SMP Tg是60.7°C,Fe3O4-SMP Tg和CNT-SMP

9、 Tg分別被減少到44.7°C和59.0°C。從DMA曲線的三個(gè)樣本(圖3 b)中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的趨勢(shì),即模量和阻尼,tan,曲線是轉(zhuǎn)向較低的復(fù)合材料的溫度范圍。雖然不是當(dāng)前的重點(diǎn)調(diào)查,Tg的減少可能與納米顆粒,干擾網(wǎng)絡(luò)在交聯(lián)過(guò)程中原位聚合有關(guān)。更重要的是Tg減少Fe3O4-SMP的復(fù)合也可能導(dǎo)致色散不完美和高度填充裝載。圖2。掃描電SMP復(fù)合材料的電鏡圖像。a)Fe3O4-SMP×5000放大。b)Fe3O4 SMP×30000放大。c)CNT-SMP×5000放大。d)CNT-SMP×30000放大。圖3。熱性能和遠(yuǎn)程加熱平整SMP和

10、混合SMP。a)DSC曲線圖。b)DMA曲線圖。c)的射頻加熱要296千赫。d)的射頻加熱要13.56 MHz。根據(jù)SMP的選擇性加熱特性研究了納米復(fù)合材料對(duì)這三個(gè)樣本的兩個(gè)射頻場(chǎng)296千赫和13.56 MHz。樣品的表面溫度與射頻曝光時(shí)間(圖3 c,d)。數(shù)據(jù)顯示平整SMP沒(méi)有在任一區(qū)域誘導(dǎo)加熱，有一個(gè)特定頻率的響應(yīng)，使Fe3O4和CNT受熱相互獨(dú)立。具體來(lái)說(shuō),Fe3O4-SMP復(fù)合只是在296千赫領(lǐng)域加熱和CNT-SMP復(fù)合只是在13.56 MHz加熱。在這兩種情況下熱誘導(dǎo)時(shí),穩(wěn)態(tài)溫度,超過(guò)了Tg,達(dá)成大約在1 - 2分鐘。我們也應(yīng)該注意,碳質(zhì)納米填料已通過(guò)紅外線16或電阻加熱引入SMP,

11、(20、21) 這里的第一個(gè)例子是磁響應(yīng)碳納米管復(fù)合材料，在CNT的一小部分。形狀記憶性能(形狀不變(Rf)和形狀恢復(fù)(Rr)平整的SMP和兩個(gè)SMP復(fù)合樣本評(píng)估使用彎曲變形。21因此, 測(cè)定約為100%的RF和RR的所有樣品 ,表明形狀記憶屬性并不妨礙納米顆粒的滲入。在圖1中通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)選擇性控制, 根據(jù)多級(jí)固化程序,多層組合樣品由Fe3O4 SMP區(qū)域和CNT-SMP區(qū)域在實(shí)驗(yàn)部分詳細(xì)開(kāi)加工好。多級(jí)固化環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì)保證了不同地區(qū)之間的接口是非常穩(wěn)固的。 13 在圖1中展示了直條形試樣在所有三個(gè)區(qū)域和恢復(fù)路徑3第一次變形的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖4。當(dāng)變形的試樣進(jìn)行13.56兆赫的射頻場(chǎng)刺激，只

12、有CNT-SMP區(qū)域被加熱(紅外(IR)圖像)。這導(dǎo)致了CNT-SMP區(qū)域的完全恢復(fù)。在隨后的暴露在296 kHz射頻場(chǎng)中,Fe3O4-SMP區(qū)域選擇性地加熱和恢復(fù)。最后, 在烤箱加熱平整的SMP區(qū)域恢復(fù)。在整個(gè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)臨時(shí)形狀的恢復(fù), 證實(shí)了選擇性控制確實(shí)可以精確的控制多個(gè)恢復(fù)。我們注意到當(dāng)前材料需要CNT和Fe3O4復(fù)合材料在空間上分開(kāi)。這源于這樣一個(gè)事實(shí):射頻觸發(fā),盡管其遠(yuǎn)程特性是基于加熱的。如果CNT和Fe3O4填充料被引入一個(gè)單一的復(fù)合材料,由此產(chǎn)生的材料能夠應(yīng)對(duì)兩個(gè)不同的射頻場(chǎng),但選擇性控制功能將丟失。另一方面,選擇性控制單個(gè)復(fù)合材料是可行的,如果是為了應(yīng)對(duì)兩個(gè)完全不同的

13、恢復(fù)觸發(fā)(例如。濕度、曝光和加熱)。未來(lái)的研究上，這是一個(gè)有趣的方面值得去探索。我們進(jìn)一步注意,它可能是有利于單一材料表現(xiàn)出選擇性控制能力,我們之前通過(guò)提供了有利它自己的材料和多層組合方法設(shè)計(jì)類(lèi)似于多層組合材料報(bào)道。26圖4。多層組合形狀恢復(fù)演示實(shí)驗(yàn)。樣品依次受到射頻場(chǎng)13.56 MHz和296千赫。紅外圖像顯示相應(yīng)的選擇性加熱區(qū)域?？傊? SMP Fe3O4-SMP組成的區(qū)域和CNT-SMP隔開(kāi)的區(qū)域也是仿造的多層組合,Fe3O4納米粒子聚合形成多層組合集群,而CNT均勻分散。納米粒沒(méi)有形狀記憶聚合物基體的性能,但導(dǎo)致降低Tg,尤其是Fe3O4的情況。由于Fe3O4和CNT納米粒子的選擇性射

14、頻加熱性能，當(dāng)使用兩個(gè)不同的射頻場(chǎng)來(lái)遠(yuǎn)程控制, 被發(fā)現(xiàn)多層組合被能夠控制多個(gè)形狀恢復(fù)。這種選擇性控制方法可以廣泛適用于其它刺激響應(yīng)材料以外的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)部分材料:環(huán)氧樹(shù)脂前體細(xì)胞,包括雙酚A縮水甘油醚(EPON 826),新戊二醇縮水甘油醚(NGDE),和固化劑(聚醚胺D - 230),從商業(yè)來(lái)源獲得。(24、25) 球形Fe3O4納米粒子（0.2%聚乙烯吡咯烷酮包覆的Fe3O4）與平均粒徑為25 nm的多壁碳納米管（sciencelab公司購(gòu)買(mǎi)；直徑2030 nm，長(zhǎng)度超過(guò)80m）和官能化酯是由在肯塔基大學(xué)應(yīng)用能源研究中心慷慨捐贈(zèng)。 SMP納米復(fù)合材料的合成:SMP樣品環(huán)氧前體細(xì)胞的摩爾比EP

15、ON / NGDE/聚醚胺= 1.5 / 0.5/1。24 把納米顆粒（Fe3O4或CNT）分散在聚醚胺D-230第一超聲10分鐘。接下來(lái),EPON 826和NGDE被分散。獲得的混合物與兩個(gè)玻璃板塊之間的聚四氟乙烯被旋渦混合器進(jìn)一步混合10s，由相隔1毫米墊片分開(kāi)。固化時(shí)間在100°C為1.5 h和130°C為 1 h。固化后,進(jìn)行樣本之后的特性描述和形狀記憶評(píng)估。多層組合SMP合成的三個(gè)步驟。首先,Fe3O4-SMP單體溶液部分固化20分鐘。然后，平整的SMP單體溶液在第一區(qū)增加的部分固化20分鐘。最后,在單體溶液中加入CNT-SMP完全固化?？傮w樣本的測(cè)量為43毫米&

16、#215;5毫米×1毫米。兩個(gè)復(fù)合區(qū)域都是15毫米的長(zhǎng)度。SEM分析表征：采用日立模型s-4300進(jìn)行。獲得的圖像為斷裂試樣表面。DSC采用Q100模型儀器，其升溫速率為10°C每分鐘。DMA測(cè)量是在Q800模型儀器進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)在承受拉力下進(jìn)行，多頻調(diào)試。試樣被切成25毫米×5毫米尺寸。試樣首先保持20°C，然后溫度增加到120°C速率為5°C每分鐘。形狀記憶的評(píng)估:形狀固化(Rf)和形狀恢復(fù)(Rr)的評(píng)估是通過(guò)比較彎曲角度,固定角度,和恢復(fù)角度。試樣100°C和180°C加熱使其彎曲(彎曲角),然后在冰水淬火5分

17、鐘。在試樣加熱到100°C測(cè)定固定角度。最后測(cè)量恢復(fù)角度。在兩個(gè)頻率,為射頻加熱SMP復(fù)合材料切成方塊(8毫米×8毫米×1毫米)。所產(chǎn)生的射頻場(chǎng)296千赫MMF-3-135/400-2泰勒·溫菲爾德感應(yīng)電源模型(直徑15毫米，匝數(shù)5圈的螺線管)。由一個(gè)射頻功率源產(chǎn)生的5S13.56兆赫的射頻場(chǎng)(直徑11厘米，匝數(shù)8圈的螺線管)。在加熱過(guò)程中試樣表面溫度與紅外攝像機(jī)記錄。多次復(fù)原示范:試樣以直條形式第一次在烤箱加熱(100°C)。第一步試樣的三個(gè)區(qū)域用手弄成“”形狀。然后使其冷卻固定。之后,在13.56 MHz射頻場(chǎng)和296 kHz射頻場(chǎng),直接加

18、熱固化。致謝作者感謝Drs. Bill Carter, Geoff Macknight, Nilesh Mankame, 和 Paul Alexander大對(duì)形狀記憶聚合物主體的討論。作者還感謝博士Dipti Biswal SEM成像的幫助和射頻加熱實(shí)驗(yàn)的幫助。此外，作者感謝布羅克醫(yī)生馬爾斯安德魯斯博士，羅德尼博士，馬克邁耶，和阿曼考爾提供多壁碳納米管和碳納米管的酯官能化。Received: February 17, 2011Published online: June 3, 2011參考文獻(xiàn)1  M. Behl, A. Lendlein, Mater. Today 200

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