拉脹高分子

拉脹高分子（auxetic polymer）是指具有受拉伸時其垂直方向膨脹（拉脹性）和（或）受擠壓是垂直方向收縮（擠縮性）的力學性能的高分子化合物。是一種負泊松比（橫向變形係數）材料。

基本介紹

• 中文名：拉脹高分子
• 外文名：auxetic polymer

簡介

自然界的大多數材料具有正泊松比，即它們受到拉伸時橫截面面積將變小，而受到壓縮時橫截面面積將增大。與之相反，拉脹材料是具有負泊松比的材料，具有受拉時其垂直方向膨脹和（或）受擠壓時收縮的力學特性，即拉脹性。負泊松比的發現最早可追溯到19世紀下葉，Voigt利用經典彈性理論計算得出立體對稱的黃鐵礦具有- 1/7的泊松比。20世紀80年代以來，隨著對拉脹性及這一性質所導致的材料其它一些性質改善的深入認識，拉脹材料的相關研究變得日益活躍。2004年和2008年分別在波蘭和英國召開了第一屆和第二屆拉脹材料國際會議，Physica Status Solidi B為此兩次專門開闢了專欄刊載相關論文。在拉脹材料的報導中，雖然拉脹金屬和拉脹陶瓷也有報導，但以拉脹高分子材料的報導居多。

“拉脹”一詞意為“受拉膨脹”。1987年，美國R.萊克斯通通過簡單加工方法製備出世界上第一個拉脹材料——泊松比在-0.7左右的接近各項同性的聚氨酯泡沫塑膠。拉脹高分子作為新型的結構和功能材料，在品種和產量上已初具規模，如楊氏模量在0.2GPa左右的拉脹超高分子量聚乙烯、以拉脹聚氨酯泡沫塑膠為夾心層的三明治複合板，以及拉脹聚酯濾網等。從分子水平上合成出高強、高模拉脹高分子，並以高分子亞穩態理論闡明其拉脹機制，正受到重視。

拉脹高分子材料的種類

泡沫聚合物

1987年，美國學者Lakes將普通聚氨酯泡沫放入鋁製模具中，進行三維壓縮後再對其進行加熱、冷卻和鬆弛處理，製成了泊松比為-0.7的拉脹聚氨酯泡沫，這是世界上第一個人工製造的拉脹泡沫塑膠。自此，拉脹泡沫的研究開始活躍起來。例如，Martz等把低密度聚乙烯泡沫放入一個特定設計的圓筒形密閉室內，用烘箱提供輔助加熱，同時加熱和加壓一定時間，之後抽真空保持一段時間，再引入空氣使其變回常壓（即大氣壓），可使聚乙烯泡沫產生負泊松比的凹型結構。

微孔聚合物

1989年，Evans和Caddock在研究多孔聚四氟乙烯的性能時發現負泊松比效應的存在，並提出這種拉脹聚四氟乙烯具有節點-微纖的微結構，微結構是由節點通過微纖相互連線而成，其複雜的微結構導致產生拉脹效應。聚四氟乙烯拉脹效應的研究揭示：其它聚合物可通過特殊加工方法，使其具有類似聚四氟乙烯的微結構，從而呈現出負泊松比效應。目前，該方法已成功套用於製造拉脹超高分子量聚乙烯、聚丙烯、尼龍和滌綸。有學者以柔軟的高分子做連續相,軟剛性高分子做分散相，製得了泊松比小至- 9的拉脹共混聚烯烴材料。

拉脹纖維

2002年，Alderson等利用聚丙烯在159℃、螺桿轉速10 r/min（1.05 rad/s）和卷繞速度2 m/min（0.03m/s）下擠出的熔融紡絲工藝，將聚丙烯製成最早的拉脹纖維，該纖維泊松比為- 0.6± 0.05。2005年，Ravirala等在拉脹聚丙烯纖維的基礎上成功製備了拉脹滌綸纖維和拉脹尼龍纖維。滌綸纖維在225℃、螺桿轉速5 r/min（0.525 rap/s）和卷繞速度5 m/min（0.075 m/s）下能獲得拉脹性；而尼龍纖維在195℃、螺桿轉速10 r/min（1.05 rad/s、）和卷繞速度2m/min（0.03m/s）下也能獲得拉脹性。

複合材料

拉脹複合材料可分為兩類。第一類是由普通材料通過內部結構的特別設計形成的拉脹複合材料；另一類製作拉脹複合材料的辦法就是引入負泊松比纖維來增強。眾所周知，複合材料最脆弱的部分在基體與纖維的界面處，而纖維拔出是纖維增強複合材料主要的失效機理。Evans的研究表明，拉脹纖維可延緩纖維的拔出，因為拉脹纖維通過合理匹配基體與纖維的泊松比能夠保持其界面，使纖維在拔出時發生徑向膨脹，從而與基體有效地鎖死因而不被輕易拔出。2005年，Alderson等對利用拉脹纖維提高纖維拔出力的概念進行了驗證，與使用正泊松比纖維的試件相比，拉脹纖維鎖當機理使試件能夠承受的最大荷載提高了2倍。

拉脹機理

研究表明，拉脹材料所具有的獨特性能取決於其特殊的微觀結構，為此科學家們對拉脹材料的微觀結構與形變機理做了大量的工作，根據材料類型的不同，提出了幾種解釋負泊松比效應的機理。1982年Gibson和Ashby提出具有倒插蜂窩網路形狀的結構具有負泊松比。1989年Evans和Cad-dock提出，關於拉脹材料的微觀結構有4種不同模型：邊型結構，棒狀結構，箭頭狀結構和卵型塊狀結構。1998年Alderson提出了三段式原纖拉伸理論來解釋多孔狀負泊松比材料的拉脹機理。此外，魏高原等提出了由三臂傘狀結構無規連結而成的三維拉脹網路理論以解釋其拉脹機理。儘管不同類型的拉脹高聚物其拉脹機理各有不同，但有一點卻是共同的，即材料巨觀上表現出的拉脹行為是由其微觀上的種種機制採用某種確定的合作方式來完成的。關於拉脹機理的研究還有待進一步深入。

拉脹高分子材料的研究方向及熱點問題

研究表明，多孔度小於40%的多孔性固體不可能具有拉脹性，除非固體本身具有拉脹性，但多孔度高可能會因較低的強度和穩定性而限制多孔性拉脹材料的套用。對於這一問題的解決需要一種在分子水平或分子結構上能產生負泊松比的材料。因此，設計和合成在分子水平或分子結構上的拉脹材料成為研究的突破口。

分子水平上拉脹材料的設計的最初嘗試是一個二維周期性六邊形或圓盤集合體，當密度很大且切向剛度超過六邊形之間的法向接觸剛度時，該體系具有拉脹性。總體來說，就在分子水平或分子結構上的拉脹材料這一研究方向而言，分子設計和計算機模擬方面涉及的相對較多，而合成方面的研究涉及的較少，究其原因，一方面可能是因為作為一個新興的研究領域，拉脹材料還遠沒有引起那些技藝高超的合成化學家們的注意，另一方面更可能是因為以往的研究焦點大多數都集中在具有特殊幾何形狀的規整網路結構上，從合成化學家的角度來看，即便不考慮高分子的多分散性等特點，要合成由複雜的多單元組成的二維平面網路結構絕非易事。

較之金屬、陶瓷等而言,聚合物內部有較多的自由體積，這為負泊松比所需要的適當的分子運動空間留出了較大的餘地，因而拉脹聚合物是首選的拉脹材料種類。而在拉脹聚合物這一範疇之內，線型拉脹聚合物較之網路結構的拉脹聚合物實現起來要來得更現實和簡便。因而，設計和合成在分子水平或分子結構上的線型拉脹聚合物，是最有可能取得突破的一個方向。近年來，沿著這一思路出發，選取一些線形芳醯胺型聚合物作為重點研究對象，幾何學和計算機模擬方面的結果表明，利用分子鏈與分子鏈之間的氫鍵自組裝，該類聚合物可以形成類倒插蜂窩結構，因此有望獲得負泊松比。

套用前景及展望

由於具有負泊松比，拉脹高分子材料擁有諸多獨特性能，比如，優越的抗衝擊韌性、優異的彈性和抗剪性、吸音和吸振性等等。拉脹材料有良好的能量吸收性，可套用於防護衣、防護設備、防護帽、防彈背心、護腿、護膝或護套。由長纖線或紗線傳送活性介質導致拉脹紡織品因擁有消炎、防臭、藥物釋放能力而成為智慧型型紡織品的材料，並且拉脹紡織品能提高服裝壓力舒適性。拉脹材料用作鋪路材料可顯著增強耐壓抗震性能。在生物醫學方面，人造拉脹血管可增強血管壁對血液跳動的反應而耐破裂。在海洋深水作業方面，拉脹高分子材料將表現出很高的液壓穩定性，因而將在國防領域如核潛艇製造上有重要套用。

總之，作為一個潛力巨大的新材料品種，拉脹高分子材料有望套用於紡織品、工業、航天、防護、生物醫學、感測器和其它領域。