聚乳酸(PLA)系列聚合物由植物油制成，因此是碳中性的;它们贡献给环境的任何碳都是由生长中的植物从大气中提取出来的。它们可以通过水或细菌的作用降解，并通过堆肥处理。这使得它们对包装或一次性饮料容器很有吸引力。它们的可降解性也为生物医学设备开辟了更复杂的应用领域。植入设备，如用于修复骨折的钢板，只需要在有限的时间内发挥作用。之后，比如在骨折愈合后，它们可能会在计划好的手术中被移除，或者当它们引起不适时。PLA植入物将降解(在医学术语中，被生物吸收)，因此不需要第二次手术。这可能被视为一种“智能”材料特性。

图1所示。半晶聚乳酸的代表性体积元。左图:无夹杂物的无定形，显示MPa下的应力轮廓。右:模型结晶夹杂物。

PLA的另一个智能特性是形状记忆。当固体聚合物被加热时，它可以很容易地变形成新的形状(在非晶态聚合物中，超出其玻璃化转变)，然后冷却，它将保持新的形状。在重新加热时，它会恢复到原来的“记忆”形状。一些医疗设备利用形状记忆，通过电加热或体热触发恢复。例如，在骨折修复中，已经拉伸的设备可以植入，这样，在加热时，它们会收缩并将骨折表面拉到一起，以加速愈合。为此，我们研究了聚乳酸材料的应变恢复行为，并建立了其记忆恢复随时间的数学模型。定量理解这种性质是为了帮助聚合物形状记忆器件的设计者。

我们选择l -丙交酯和dl -丙交酯的摩尔比为70:30的共聚物作为测试材料。这使得结晶度低，生物吸收率相对较高，适合植入。它的空心管沿着其轴线拉伸至其长度的两倍(即1.0的应变)，并创建一个临时形状。为此，使用了一台带有60°C烤箱的拉伸试验机;温度接近于材料的玻璃化转变。我们观察了不同拉伸速度下的应力-应变行为，以获得对材料的全面了解。同时进行应变恢复实验，试件释放后，达到最大拉伸后立即收缩;恢复数据是通过视频采集收集的。这实际上是在测量形状记忆。

对于含有13%刚性晶体的材料，可以设想为含有刚性晶体夹杂物的软基体，基体提供形状恢复。我们探索了晶体对材料力学行为的影响，使用已建立的复合理论，也使用有限元建模。统计生成一个有限元模型集合，示例如图1所示。聚乳酸晶体的弹性性能是通过从文献中收集的应变聚乳酸的x射线测量得到的，而基体被假设为弹塑性。晶体被证明会影响材料的刚度和屈服强度，建模使我们能够分离出非晶相的性质。

图2所示。拉伸至1应变后应变恢复的模型预测。标题显示了以倒数秒为单位的初始拉伸应变速率。

我们建立了一个非晶相的数学模型，包括粘弹性效应，如屈服应力随拉伸速度的增加和恒定应变下应力的衰减。这使我们能够预测恢复应变随时间的变化，如图2所示，适用于各种拉伸速度。将这些结果与应变恢复实验进行了直接比较，表明该模型是有效的。建立了一种实用有效的聚乳酸形状记忆模型。

约翰·斯威尼
高分子科学与技术、机械与能源系统工程
英国布拉德福德大学工程与信息学院

出版

部分结晶PLA的力学和应变恢复行为建模
约翰·斯威尼，保罗·斯宾塞，卡蒂克·奈尔，菲尔·科茨
聚合物(巴塞尔)。2019年8月13日

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