木材形状记忆效应与机理的研究进展

形状记忆聚合物(SMPs)是一种改变初始形状并固定后,通过外部刺激又恢复到原始形状的高分子材料。水是容易获得、环境友好的刺激物,水/水热响应的形状记忆材料成为近年来研究的焦点。木材是具有形状记忆效应的聚合物基天然高分子智能材料,可以通过压缩或弯曲等方法固定成临时形状,然后在水热作用下恢复到其永久形状。然而,与具有简单结构的SMPs相比,天然木材的微观构造由不同的组织结构、细胞形态和孔隙结构组成,化学结构由纤维素、半纤维素、木质素以氢键、共价键和物理结合相互嵌入渗透组成。木材复杂的微观构造和化学结构增加了表征形状记忆特性、构建架构模型、揭示记忆机理的难度。近年来,研究人员在干燥木材的过程中发现木材形状记忆效应基于准残余冻结应变的可逆应变,木材湿-热-力模型表征形变回弹率的R r和形变固定率的R f是冻结应变的函数。木材形状记忆编程过程有弯曲形状记忆、拉伸形状记忆、压缩形状记忆,定量表征SMPs的方法可应用于木材。聚合物形状记忆模型有交联网络模型、超分子网络模型、渗流网络模型、综合架构模型,其中综合架构模型由开关单元(Switch)和网络节点(Net points)组成,可用来全面解释SMPs的结构。在特定温度-湿度-机械力作用下,木材中的半纤维素最先降解,纤维素结晶度增加,木质素产生交联,可用细胞壁微形态变形理论、纤维素应力松弛理论和疏水化理论在分子水平上揭示消除形状记忆的机理。鉴于以上内容,本文以冻结应变为研究木材形状记忆效应的基础,结合形状记忆编程中定量评价的方法,分析形状记忆材料的架构模型以及木质材料的空间结构,并阐述了在特定温度-湿度-机械力耦合作用下消除木质材料形状记忆效应的机理。