تاثیر جذب رطوبت بر خواص فیزیکی فوم های پلیمری حافظه شکلی پلی یورتان

اثر جذب رطوبت بر دمای انتقال شیشه ای (Tg ) و رفتار تنش/کرنش فوم های پلیمری حافظه شکلی پلی یورتان (SMP ) مورد بررسی قرار گرفته است. این مطالعه اثرات جذب رطوبت در سطوح مختلف رطوبت را بر روی خواص فیزیکی فوم های SMP پلی یورتان بررسی می کند. فوم های SMP برای مدت زمان های مختلف در معرض سطوح مختلف رطوبت قرار می گیرند و پس از قرار گرفتن در معرض رطوبت نسبی ۱۰۰ درصد به مدت ۹۶ ساعت، حداکثر جذب آب ۸.۰٪ (بر حسب جرم) را نشان می دهند. جذب آب به طور قابل توجهی Tg فوم را کاهش می دهد، با حداکثر جذب آب، Tg از ۶۷ درجه سانتیگراد به ۵ درجه سانتیگراد تغییر می یابد.
پلیمرهای حافظه شکلی (SMPs ) مواد هوشمندی هستند که می‌توانند شکل هندسی خود را ذخیره کرده و پس از قرارگیری تحت محرک‌هایی مانند گرما یا رطوبت، به هندسه اولیه خود برگردند. به دلیل این قابلیت، SMP ها توجه روزافزونی از جامعه علمی را به خود جلب کرده و برای کاربردهای متعدد در عرصه های مختلف، از صنایع هوافضا تا صنایع زیست پزشکی، پیشنهاد می شوند. فوم های SMP را می توان برای پاسخ به محرک های خاص مانند گرما، نور، میدان های الکتریکی، میدان های مغناطیسی و رطوبت تولید کرد. در حال حاضر، SMP های پاسخگوی حرارتی بیشترین توجه را برای پیاده سازی در برنامه های کاربردی به خود جلب کرده اند. SMPهای سنتی پاسخگو به گرما، در بالای دمای انتقال گرم شده، در Ttrans تغییر شکل می دهند و متعاقباً در زیر Ttrans سرد می شوند تا هندسه ثانویه را تثبیت کنند. هندسه ثانویه حفظ می شود زیرا موانع ترمودینامیکی از شل شدن زنجیره های پلیمری و بازگشت به حالت اولیه با آنتروپی بالاتر، جلوگیری می کند. Ttrans می تواند دمای انتقال شیشه ای (Tg)، دمای مذاب کریستالی (Tm ) یا دمای انتقال دیگری باشد. پس از گرم شدن در بالای Ttrans، SMP تغییر شکل یافته به حالت آنتروپی بالا، که هندسه اصلی است، باز می گردد. در سطح مولکولی، نقاط شبکه مانند اتصالات عرضی کووالانسی، فازهای کریستالی و درهم تنیدگی‌های زنجیره، یکپارچگی سیستم SMP را با جلوگیری از لغزش زنجیره‌های پلیمری از کنار یکدیگر در حالی که پلیمر در بالای Ttrans گرم می‌شود، افزایش می‌دهند.
به طور خاص، یانگ، اثرات جذب رطوبت را بر دمای انتقال شیشه ای و رفتار تنش-کرنش متناظر SMP های پلی یورتان بررسی کرد. مطالعات یانگ نشان داد که آب جذب شده در پلی یورتان ها به دو دسته تقسیم می شود: آب محدود و آب آزاد. آب محدود، که با اشغال مکان‌های پیوند هیدروژنی بین گروه‌های کاربامات N-H و C=O به‌عنوان یک نرم‌کننده عمل می‌کند، به طور قابل‌توجهی Tg را کاهش داده و در نتیجه رفتار تنش-کرنش را به‌طور قابل‌توجهی تغییر می‌دهد. از سوی دیگر، آب آزاد، اثر روان کنندگی بسیار کمتری برای پلی یورتان ها دارد. اگرچه مطالعات یانگ و مطالعات دیگران به طور موثر اثرات جذب رطوبت بر خواص حرارتی و مکانیکی SMP های یورتان را مشخص کرده اند، این مطالعات به SMP های پلی یورتان خالص محدود شده است. تحقیقات مربوط به اثر قرار گرفتن در معرض رطوبت بر روی فوم های پلی یورتان، نرخ انتشار رطوبت و تغییرات خواص مکانیکی را بررسی کرده است. با این حال، اثر جذب رطوبت بر رفتار حافظه شکلی فوم های پلی یورتان هنوز مورد ارزیابی قرار نگرفته است.

جذب رطوبت:

نتایج مربوط به درصد جذب رطوبت که توسط TGA و آنالیز نسبت جرم اندازه گیری شده است به ترتیب در شکل های ۱ و ۲ ارائه شده است. برای رطوبت های نسبی ۴۰، ۶۰ و ۸۰ درصد، جذب رطوبت با زمان قرار گرفتن در معرض رطوبت تا ۶ ساعت افزایش یافت و پس از آن به طور کلی ثابت ماند. برای نمونه هایی که در معرض رطوبت ۱۰۰% قرار دارند (یعنی غوطه ور شدن در آب)، رسیدن به حداکثر جذب آب زمان بیشتری می برد. همانطور که شکل ۱ نشان می دهد، حداکثر جذب آب پس از ۹۶ ساعت در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد در محیط ۱۰۰ درصد رطوبت نسبی، ۸ درصد بود و این مقدار با افزایش دما در محفظه محیطی به ۳۷ درجه سانتی گراد تغییر قابل توجهی نداشت. با این حال، افزایش دما نرخ جذب رطوبت را افزایش داد، همانطور که شکل ۱ نشان می دهد. نمونه ۳۷ درجه سانتیگراد در ۲۰ ساعت به حداکثر جذب آب رسید، در حالی که نمونه ۲۵ درجه سانتیگراد تا ۹۶ ساعت به حداکثر جذب آب نرسید. همانطور که انتظار می رفت، سطح جذب رطوبت و اشباع رطوبت به زمان قرار گرفتن در معرض رطوبت، سطح رطوبت و دما بستگی داشت. نتایج ثابت می‌کند که اشباع رطوبت به سطح رطوبت محیط بستگی داشته که هر چه سطح رطوبت بیشتر باشد، جذب آب بیشتر می‌شود.