高温形状记忆聚酞嗪酮醚酮薄膜的退火优化及其性能研究

本研究针对高温形状记忆聚合物(SMPs)在极端环境下的应用瓶颈，通过退火处理优化聚酞嗪酮醚酮(PPEK)薄膜的分子链构象熵，显著提升其形状恢复率至76.7%（290°C退火），循环稳定性达87.8%。该工作为航空航天等领域提供了兼具高热稳定性(Tg~272°C)和优异机械性能(108MPa)的新型智能材料解决方案。

　　

在智能材料领域，高温形状记忆聚合物(SMPs)因其能“记住”初始形状的特性，成为航天器可展开结构和高温环境执行器的理想候选。然而，现有材料如聚酰亚胺易水解、聚醚醚酮(PEEK)溶解性差等问题，严重制约其在极端条件下的应用。更棘手的是，分子链松弛不足导致的内部应力会引发材料高温变形，犹如被束缚的弹簧突然释放，造成性能失效。这一难题亟待通过分子结构设计和后处理工艺的创新来突破。

大连宝力新材料有限公司联合高校团队选择聚酞嗪酮醚酮(PPEK)这一特殊材料展开攻关。PPEK分子链中的扭曲N-杂环结构既能形成物理缠结网络（固定相），又因醚键与刚性单元的交替排列构成可逆相，这种“刚柔并济”的特性使其兼具265.6°C的高玻璃化转变温度(T_g)和优异的溶剂可加工性。研究人员通过溶液浇铸法制备薄膜后，创新性地采用250-290°C梯度退火处理，在《European Polymer Journal》发表了这项揭示退火温度与形状记忆性能构效关系的重要成果。

关键技术方法
研究采用溶液浇铸法制备PPEK薄膜，通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)表征热性能，动态机械分析(DMA)评估储能模量变化，结合拉伸测试和形状记忆循环实验（0.3MPa应力下4次循环）系统评价性能。所有样品均经过60°C 12小时溶剂挥发预处理，关键创新在于250°C/270°C/290°C三组退火温度的对比设计。

研究结果

结构与热性能
DSC显示退火后PPEK的T_g稳定在266-272°C区间，TGA证实其5%热失重温度高达487°C。特别值得注意的是，290°C退火样品在800°C仍保持68%残碳率，这种“烈火真金”般的稳定性远超常规工程塑料。

力学性能与形状记忆行为
退火温度提升使薄膜韧性显著增强，290°C处理样品拉伸强度达108MPa。形状固定率始终维持在98%左右，而恢复率呈现温度依赖性：290°C退火样品首轮恢复率76.7%，经过四次循环后跃升至87.8%，犹如经过“训练”的肌肉产生记忆强化效应。DMA数据揭示其奥秘——高温退火促使分子链解缠结，提升构象熵储备，为形状恢复提供更强驱动力。

结论与展望
该研究证实PPEK是通过物理缠结网络实现形状记忆的典型热塑性SMP。290°C退火处理在保持高T_g和力学性能的同时，使形状恢复率提升21.5个百分点，这一发现为高温SMP的工艺优化提供了范式。其意义不仅在于创造了当前报道中少数能兼顾300°C级耐热性和溶液加工性的SMP，更启示通过拓扑结构调控（如引入更多扭曲杂环）可进一步开发新一代智能材料。未来在空间可展开天线、高温微驱动器等领域的应用值得期待。