一种双向形状记忆致动器的制备方法和使用方法技术

本发明专利技术公开了一种可以在无应力条件下，通过将温度在Tlow和Tsep之间变化而达到可以反复及可逆地在两个独立的形状(A,B)之间进行转换的致动器的制备方法，该方法包括如下步骤：(a)、准备一包含了一共价或物理交联的聚合物网络的致动器或由一共价或物理交联的聚合物网络所组成的致动器，所述的聚合物包含一初相和一弹性相，所述的该初相在从温度Ttrans,onset到Ttrans,offset的温度范围内具有一热动力学相变扩展，该所述的弹性相具有一玻璃化转变温度Tg，在Tg<Ttrans,onset的条件下，所述的该聚合物具有一初始形状；(b)、在温度Tprog条件下，通过施加一压力，使所述的该聚合物形变到一变形形状，形变与聚合物链段的排列相适应；(c)、在保持应力不变的条件下，将聚合物的温度调整到一温度Tlow，且Tlow≤Ttrans,onset，以提供与所述的初相相关的聚合物区域的一个固化态；(d)、在无应力条件下，加热所述的该聚合物到一预设的分离温度Tsep，且Ttrans,onset<Tsep<Ttrans,offset，以融化初相的的第一聚合区域(AD)，以及保持初相的第二聚合区域(SD)在所述的该固化态，该第一聚合区域具有一从Ttrans,onset到Tsep之间的转变温度，该第二聚合区域具有一从Tsep到Ttrans,offset之间的转变温度，如此就形成了形状A，该形状A在几何形状上介于步骤(a)中的初始形状和步骤(b)中的变形形状之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种双向形状记忆致动器（bSMA)的制备方法，尤其是一种除形状记 忆外还兼具温度记忆的致动器。本专利技术还涉及一种这种致动器的使用方法。
技术介绍
传统的形状记忆聚合物能够经历从一程控的临时形状到一记忆的永久形状的 一种形变。然而，这是一种单程的效应，因为一种新的变形需要一个重新进行的热-机械 程控过程。在单程形状记忆聚合物（SMPs)中，同一类型的转变区域提供两种功能：临时 固定一种程控的临时形状以及弹性恢复永久形状（Lendlein，A. &Kelch,S.Shape-memory polymers.Angew.Chem.Int.Ed. 41, 2034-2057(2002))。转变区域的热转变温度（Ttrans)，比 如融化温度（Ttrans=TJ或者玻璃化转变温度（TtMns=Tg)，在形状记忆效应中扮演开关的 角色。形状A在T>Ttrans时的被施加外力的一变形中，聚合物链段趋向于形成转变链段，这 将导致熵的降低。降温到T〈TtMns会导致转变区域的固化，诸如结晶化或玻璃化的降温，这 种方法会将形状固定下来。这种形状记忆功能的形成过程被称为程控。在加热后，记忆的 (永久）形状会恢复回来。在温度超过Ttrans后，在熵增的驱使下，被导向的链段会弹回原来 的形状，将会不可逆的消除掉临时形状的几何信息。因此，传统的单程形状记忆聚合物的形 状记忆效应只能被引发一次。要通过形状记忆效应发生进一步的形变，就需要一种新的程 控过程。 另外，在传统的形状记忆聚合物中，温度记忆曾被实施过（WO2009/095434A)。通 过合理的筛选在程控过程中聚合物变形的温度TpMg，在1\_3，。11^>1；_>1 &3^。^的条件下， 转变温度可以被改变。然而同样的，该文献报道的这种温度记忆聚合物仍然只具有单向的 单程记忆效应。因此，目前来说，读出聚合物的温度记忆，也就是聚合物能记忆它们发生变 形之前的温度的能力，不可避免地和消除这种记忆效应联系在一起。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种聚合物或者一种含有或由一种聚合物组成的致动 器，这种聚合物能够在两个形状之间进行可逆转变且不需要重新进行定形的过程（程控）。 这种可逆转变在进行时不用施加外力。也就是说，可以提供一种能够独立进行双向形状记 忆的聚合物（本专利技术中也称做bSMP)。另外，这种聚合物应该具有一个致动温度，也就是，形 状发生改变时的温度，这个致动温度可以受聚合物的物理参数而改变，而不受聚合物的化 学变化所改变。 本专利技术在不同的独立权利要求项中提供了一种致动器的制备方法及其使用方法， 实现了本专利技术所要达到的目的。本专利技术的优选的实施方案在从属权利要求中做了详细说 明。 因此，本专利技术的第一个方面是针对一种致动器的制备方法，该致动器在无应力条 件下，通过从温度TlOT和温度Tsep之间的温度变换，能够反复和可逆地在两个相互独立的形 状（A，B)之间进行形状的变换。所述制备方法，其包括如下步骤： (a)、准备一种包含了一种共价或物理交联的聚合物网络的致动器或由一种共价 或物理交联的聚合物网络所组成的致动器，所述的聚合物包含一个初相和一个弹性相，所 述的初相在从温度TtMns，msrt到的温度范围内具有一个热动力学相变扩展，所述的 弹性相具有一个玻璃化转变温度1' 8，在1'8〈1\_；3，。11^的条件下，所述的聚合物具有一个初始 形状； (b)、在温度TpMg条件下，通过施加一个应力，使所述的聚合物形变到一个变形形 状，所述形变与所述聚合物的链段的排列相适应； (C)、在保持应力不变的条件下，将聚合物的温度调整到一个温度TlOT，且 TtMns，msrt，用以提供与所述的初相相关的聚合物区域的一个固化态； (d)、在无应力条件下，加热所述的聚合物到一个预先设定的分离温度，且 凡^_〈1^〈1\_，。_，以融化所述初相的的第一聚合区域_)，以及保持初相的第二聚 合区域（SD)在所述的固化态，该第一聚合区域具有一个从TtMns，msrt到Tsep之间的转变温 度，该第二聚合区域具有一个从Tsep到TtMns之间的转变温度，如此就形成了形状A，该 形状A在几何形状上介于步骤（a)中的所述初始形状和步骤（b)中的所述变形形状之间。 本专利技术的另一个方面是针对在本专利技术的第一个方面中的致动器的制备方法下所 制备的致动器的使用方法。该使用方法包含如下的重复的步骤： (e)在无应力条件下，将所述聚合物的一材料温度降到一温度TlOT，且 TtMns，ms6t，这样会导致从形状A到形状B的形变，其中形状B是对应于在几何形状上 介于步骤（b)中的所述变形形状和步骤（d)中所得的形状A之间的一种形状； (f)在无应力条件下，将所述聚合物的一材料温度升到温度Tsep，且 丁_：3，。1^1；〈；1^〈；1\ 1^，。；|^1;，这样会导致从形状13到形状六的形变。 本专利技术的第一个方面所涉及的制备方法也被称为程控模块，而本专利技术的第二个 方面所涉及的致动器的使用方法也被称为可逆化模块。在程控模块中，通过在不同的温 度下进行形变，形状保持相被转化成形状A，不同的温度也包括冷拉伸，然后再升高温度到 Tsep。在可逆化模块中，温度在Tsep和TlOT之间进行循环性的转变，其中TlOT是低于第一区域 AD的固化温度的。在TlOT时，材料会达到形状B。可逆化模块可被成功地实施任意的次数， 以使聚合物从形状A和形状B之间进行变换。使形状变化最大时的温度，其是可以从诸如 应变的推导来确定，这个温度也被称为致动温度Tac;t。经历过本专利技术的程控过程的聚合物 的TS6P和Tac;t之间的相关性已经被找到。如此，这些聚合物具有一种可逆的温度记忆效应 rTME〇 程控过程所获得的聚合物具有能够在不对材料施加应力条件下可逆地改变形状 的功能。因此形状转变发生在两个独立的形状A和B之间，而且是单一地被温度所驱使。而 且，聚合物会记住其形状改变时的温度，不需要再重新进行程控。因此这样的聚合物被称为 可逆的温度记忆聚合物（rTMP)。 本专利技术解决了可逆性这一技术问题，而且能通过制备出一种多相聚合物系统来同 时保持形状，在这个系统中，一个相（以下称为骨架区域SD)是负责保持形状的，而另一个 相（以下称为致动区域AD)起到可逆致动器的功能。迄今为止，在传统的单程SMPs中，一 相（转换相）被用来同时起到相保持和相致动的作用。本专利技术通过将这两项功能分别设定 在不同的相（或转变温度范围）上从而解决了上述问题，这些不同的相在分子水平上是通 过共价或物理的关系相互连接的。 和本专利技术不同的是，本领域内已知的无应力形状记忆聚合物在其形状记忆效应被 诱发一次后需要重新进行一次临时形状的程控，也就是说，它们是单程的。迄今为止，想要 让聚合物发生可逆的形状转变，首要条件就是需要施加恒定应力。 不用拘泥于理论，可以假定第二区域SD形成一个至少有一部分嵌入到第一区域 AD的骨架，而且形成第一区域AD和第二区域SD的聚合物链段实质上是排列或朝向同一个 方向的。目前的观念中，骨架形成区域SD和致动器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致动器的制备方法，所述致动器可以在无应力条件下，通过将温度在Tlow和Tsep之间变化而达到可以反复及可逆地在两个独立的形状(A，B)之间进行转换，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)、准备一种包含了一种共价或物理交联的聚合物网络的致动器或由一种共价或物理交联的聚合物网络所组成的致动器，所述的聚合物包含一个初相和一个弹性相，所述的初相在从温度Ttrans,onset到Ttrans,offset的温度范围内具有一个热动力学相变扩展，所述的弹性相具有一个玻璃化转变温度Tg，在Tg<Ttrans,onset的条件下，所述的聚合物具有一个初始形状；(b)、在温度Tprog条件下，通过施加一个应力，使所述的聚合物形变到一个变形形状，所述形变与所述聚合物的链段的排列相适应；(c)、在保持应力不变的条件下，将聚合物的温度调整到一个温度Tlow，且Tlow≤Ttrans,onset，用以提供所述的与所述初相相关的聚合物区域的一个固化态；(d)、在无应力条件下，加热所述的聚合物到一个预先设定的分离温度Tsep，且Ttrans,onset<Tsep<Ttrans,offset，以融化所述初相的的第一聚合区域(AD)，以及保持初相的第二聚合区域(SD)在所述的固化态，该第一聚合区域具有一个从Ttrans,onset到Tsep之间的转变温度，该第二聚合区域具有一个从Tsep到Ttrans,offset之间的转变温度，如此就形成了形状A，该形状A在几何形状上介于步骤(a)中的所述初始形状和步骤(b)中的所述变形形状之间。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.28 EP 13174361.91. 一种致动器的制备方法，所述致动器可W在无应力条件下，通过将温度在T和Twp 之间变化而达到可W反复及可逆地在两个独立的形状（A,B)之间进行转换，其特征在于， 该方法包括如下步骤： (a)、准备一种包含了一种共价或物理交联的聚合物网络的致动器或由一种共价或物 理交联的聚合物网络所组成的致动器，所述的聚合物包含一个初相和一个弹性相，所述的 初相在从温度到T 的温度范围内具有一个热动力学相变扩展，所述的弹 性相具有一个玻璃化转变温度Tg，在的条件下，所述的聚合物具有一个初始形 状； 化）、在温度TptM条件下，通过施加一个应力，使所述的聚合物形变到一个变形形状，所 述形变与所述聚合物的链段的排列相适应； (C)、在保持应力不变的条件下，将聚合物的温度调整到一个温度Ti。，，且 用W提供所述的与所述初相相关的聚合物区域的一个固化态； (d)、在无应力条件下，加热所述的聚合物到一个预先设定的分离温度Twp，且Ttran日,。。日et<Lep<Ttt。。日,Wf日et，W融化所述初相的的第一聚合区域（AD)，W及保持初相的第二聚 合区域（SD)在所述的固化态，该第一聚合区域具有一个从Ttr^s,。。%剧Twp之间的转变温 度，该第二聚合区域具有一个从1；。。到1\。,,。,&。义间的转变温度，如此就形成了形状4，该 形状A在几何形状上介于步骤（a)中的所述初始形状和步骤化）中的所述变形形状之间。2. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述温度TWP是预先设定的W此来实现 一理想的致动温度Ltt(A-B)或Ltt炬一A)，其相应的分别是在从形状A到形状B转变中 出现最大形变率时的温度，及在从形状B到形状A转变中出现最大形变率时的温度。3. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述分离温度TWP的预先设定受到一个 由经验决定的所述分离温度Twp和所述致动温度T。。,(A-B)或T。。,炬一A)之间的数学关 系式所影响，或者受到一个由经验决定的所述分离温度Twp和所述致动温度Tatt(A-B)或 Tact炬一A)之间的特性图所影响。4. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分离温度TWP被预先设定W此来获 得一个在从形状A到形状B或从形状B到形状A的形变过程中的相应的理想的致动程度。5.如前述权利要求中任一项所述的制备方法，其特征在于，其包括采用变化的分离温 度Twp来反复进行步骤（C)和步骤（d)，并导致不同的致动温度-B)...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝德莱·安德鲁，马克·贝尔，卡尔·克拉茨，斯里尼瓦桑·雷迪·恰加纳提，乌尔里希·诺切尔，蒂尔曼·萨德，
申请(专利权)人：亥姆霍兹中心盖斯特哈赫特材料及海岸研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE