增强紫外线耐受性的形状记忆聚氨酯/GNP/MWCNTs纳米复合薄膜的制备与表征

会记住形状的智能薄膜

想象一条薄塑料带，你可以把它拧、折或揉皱，然后轻微加热，它又弹回到原来的形状。再想象这条薄带必须在强烈日光下经受数月或数年的暴晒而不变弱、变脆或发黄。本研究探讨了如何通过将一种特殊的形状记忆塑料与微小碳添加剂混合来构建这样的智能、对光响应的薄膜，从而在紫外（UV）照射下保持强度。

形状记忆薄膜为何重要

本工作中的基体材料是形状记忆聚氨酯，这是一类可以被固定为临时形状并在加热时恢复原始形状的塑料。由于其轻便、柔韧且具生物相容性，这类塑料在软致动器、柔性电子、传感器、医疗敷料和智能涂层等方面具有吸引力。然而，单独使用时它有两个主要弱点：力学强度有限，且在暴露于紫外光时用于恢复形状的能力会逐渐衰减，因为紫外线会慢慢损伤聚合物链。

加入微小的碳类助力剂

为了解决这些问题，研究人员制备了非常薄的形状记忆聚氨酯薄膜，并制备了两种加入纳米级碳填料的改性版本。一种加入了平坦的石墨烯纳米片，另一种则使用了长而空心的多壁碳纳米管。两者都以仅1%（重量比）加入，通过溶剂浇铸工艺在玻璃或塑料片上铺展均匀液层并固化成薄膜。这些微小添加剂远小于人类头发的厚度，但它们能与周围的聚合物强烈相互作用，从而改变材料在拉伸、加热或照明时的行为。

更强、更韧、回复更快

团队测量了薄膜在拉伸、加热、润湿（遇水）和受控紫外照射下的响应。与纯塑料相比，填料增强的薄膜强度显著提高：填入纳米管的薄膜拉伸强度超过原始值的两倍以上，并且断裂前的伸长率也大幅提升。加入的颗粒还使材料的内部转变温度略有上升，并促进了聚合物中更有序的区域形成，这些区域像锚点一样帮助记忆形状。在将折叠成类似纸折圆锥的样件放入热水中的形状回复测试中，填料薄膜恢复到原始形状的时间大约是未填料塑料的一半，同时在单一回复方向上保持近乎完美的恢复度。

经受严酷紫外照射

类似太阳的紫外辐射以断裂化学键并使透明聚合物发黄变脆而著称。研究人员在加速老化箱中对薄膜进行了最长72小时的照射，并观察其化学成分、结构与强度如何变化。所有样品都表现出一定程度的老化，但纯塑料降解速度明显更快：颜色发生变化、强度最终降至起始值以下，且形状回复变慢且不完全。相比之下，石墨烯和纳米管填充的薄膜在短时照射后强度有所增加，随后仅在更长时间内逐步下降，保持了更高的内部有序度并保留了形状记忆功能。光谱学测量显示，填料薄膜生成的氧化产物更少，表明碳填料吸收了紫外光并猝灭了活性碎片，从而在它们损伤聚合物之前加以阻止。

对未来器件的意义

通过在形状记忆聚氨酯中掺入少量石墨烯片或碳纳米管，研究表明可以制备出薄而柔性的薄膜，这些薄膜更坚固、形状恢复更快，并能抵抗紫外光的有害作用。对普通读者来说，核心信息是：少量设计良好的碳材料可作为不可见的“防晒”和内部支架，保护智能塑料。这种组合可能帮助未来的可穿戴设备、医疗贴片、软体机器人和保护涂层在长时间暴露于阳光与户外环境后仍保持可靠工作。

引用: Namathoti, S., Elfar, A.A., Avvari, V.D. et al. Fabrication and characterization of shape memory polyurethane/GNP/MWCNTs nanocomposite thin-films with enhanced UV resistance. Sci Rep 16, 14785 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44601-6

关键词: 形状记忆聚合物, 聚氨酯薄膜, 石墨烯, 碳纳米管, 抗紫外线