水响应的机械元件及制造这种元件的方法技术

本发明专利技术涉及响应试剂施用的柔性结构（４０１）。在试剂施用时，该柔性结构（４０２）以预定的方式弯曲。该柔性结构由聚合物液晶形成，使该液晶取向，以限定具有基本上不同分子取向的上表面层和下表面层，并且使得该聚合物液晶在试剂施用时长／宽比发生改变。因此，上表面层和下表面层对试剂施用的响应不同，导致柔性结构（４０１）弯曲或伸直。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水响应的机械元件及制造这种元件的方法
本专利技术涉及响应外部激活而改变形状的柔性结构。
技术介绍
现今知道柔性、微机械结构通常对电场、热或光有响应。例如，Ikeda等在Advanced Materials第15卷第3期第201-205页中报道了可由光移动的柔性箔片。此处公开的箔片由当暴露于光下时各向异性地弯曲或伸直的偶氮苯液晶凝胶制成。该箔片包括当暴露于适当波长光下时经历反-顺异构化的各向异性取向的反式-偶氮苯部分。顺式和反式异构化具有不同的形状。为了引起弯曲(或者伸直)，使所述箔片暴露于光下，使得基本上所有入射光都被箔片表面区域中的反式-偶氮苯部分吸收，留下箔片体相不曝光。因此，在所述表面区域中，染料改变形状，而且在箔片体相中它不改变。染料形状的改变导致体积浓度选择性地沿着表面区的一个方向改变，而体相的体积不改变，由此使箔片弯曲。但是，仍然需要对备选的刺激产生响应的柔性微机械结构。特别是需要响应环境改变例如各种液体或蒸汽施用的结构。一般要求的是该结构应该可以单独使用，以及集成到更大的结构系统中。
技术实现思路
可以通过如下面权利要求1限定的柔性结构来满足上述需求。此外，分别在权利要求10和13中限定了这种柔性结构的有利的制造方法和用途。所附的从属权利要求限定了本专利技术的优选实施方案。因此，本专利技术的一个方面提供了一种包含聚合物网络的柔性结构。该-->聚合物网络包含聚合的液晶单体。所述柔性结构限定了上表面层和下表面层，使聚合的单体取向，以使上表面层中聚合的单体的平均轴向与下表面层中聚合的单体的平均轴向基本上不同。下层和上层可以由一层涂覆在另一层上面的两个不同的层组成。但是，它也可以由单片单元组成，其中上层和下层间的区别来自于性质的逐渐变化，在此情况下平均局部分子发生取向，和/或组成从上层界限到下层界限变化。分子取向之间的角度典型地选择为90°，因为这在大多数情况下得到最大的目标作用，但是也可以选择成较小或较大的角度，例如为了使加工和制造变得更加容易。聚合的单体还包含可断裂的次价键，可以通过施用试剂而断裂该键，从而使所述结构改变形状。因此，我们的教导是通过提供如上所述的结构，我们得到了在暴露于试剂时发生弯曲的结构。不愿受限于任何理论，我们相信这是在施用试剂时聚合的单体的长/宽比发生改变的结果。上下表面层平均轴向的差异使得上表面层中长-宽变化的方向基本上不同于下表面层中长-宽变化的方向。根据一个实施方案，所述差异基本上为90°，从而保证了柔性结构中最优的弯曲效果。结果，上下表面层对试剂的施用反应不同，使得柔性结构弯曲。本专利技术因此提供了一种基于在处于环境改变条件时改变形状的聚合物液晶的柔性结构。换句话说，本申请所述的单元对环境变化有反应，而不是由热、光或者电场激发。根据一个实施方案，聚合物网络以扭曲或者八字形构型取向。因而，保证了聚合的单体的平均轴向基本上90°的差异，从而使得该结构的顶部和底部以相反方式产生膨胀和收缩反应，并因此赋予其非常有效的弯曲模式。膨胀和收缩的程度在不同的聚合物网络间不同，轴向中的收缩/膨胀与正交方向中的收缩/膨胀之比也是如此。在向聚合物施加试剂时聚合物吸收大量施加试剂的情况下，轴向收缩典型地降低了并且甚至可以是零。对于这种反应甚至可以在大至足以导致膨胀的程度上抵消收缩。但是，轴向上相对于正交方向的不对称无论如何将典型地导致大的弯曲效应。因此，本专利技术基于如下观察结果：包含可断裂键的液晶网络中的聚合-->的单体的长/宽比在与专门干扰该可断裂键的试剂接触时后这些键断裂时发生改变。本申请中的可断裂键是在存在和不存在试剂时可以可逆地断裂并且形成的键。可断裂的键可以是次价键如氢键。但是，它甚至还可以是基于分子间偶极-偶极相互作用或者偶极-偶极诱导的相互作用的更弱的键。但是，该键必须足够强而能够在所关心的温度范围内形成有序的液晶相。在本申请中，次价键指涉及分子间吸引但不涉及电子转移或共享的键。在试剂的存在下可以可逆地打开的另一类可断裂键例如是具有更高键合强度的主价键，如离子键。相比而言，举例来说，共价键形式的主价键一般不能可逆地打开。共价键是在共享电子的原子之间形成的，并且是大多数有机化合物的构筑单元。它们是稳定的并且当用特殊的试剂或温度打开时，它们很少能返回原始结构。次价键例如氢桥键一般比主价键弱得多，但仍足够强，所以当条件改变时重新结合，因此在许多实施方案中是优选的。离子键更强，但是可以由与阳离子或阴离子反应更强的试剂可逆地断裂。实例有可以通过酸的存在而断裂的盐。本专利技术范围内使用的聚合物网络典型地包含能够经历这种可逆断裂的聚合的单体单元。聚合物网络还可以，但不一定包含只由共价键构成的聚合的单体单元。这些单元不会经历断裂反应，但是对整体可逆性有贡献。这些聚合的单体被称作形状记忆单体，并且典型地以0.1-30重量％的浓度使用。因此在施用试剂时，根据本专利技术的柔性结构表现出断裂次价键的数量增加。弯曲作用典型地随断裂次价键数量的增加而增加。次价键的断裂和恢复可以通过我们已知的技术例如傅立叶红外检测(FTIR)来识别和检验。因此，根据本专利技术的柔性结构的特征性质是施用试剂在液晶网络分子取向的方向上引起各向异性的尺寸变化。这些各向异性的尺寸变化使该结构弯曲(或者伸直)，并且由可以使用例如TFIR测量的次价键断裂来驱动。H桥是次价键的一个实例，并且具有H桥的聚合液晶单体已经证明可以用于本专利技术。因此，根据一个实施方案，可断裂的次价键是聚合液晶单-->体中的H桥。在施用试剂时引起长/宽比变化的一种机理已经识别为聚合的单体给试剂分子制造空间，并且将该分子结合到断裂的次价键或者离子键位置的单体部分中，因此促使断裂的单体部分分开，导致单体增长。因此，根据一个实施方案，聚合的液晶单体在所述可断裂的次价键断裂时是可延伸的，从而所述可断裂的次价键断裂为所述试剂分子制造空间，并且将所述试剂的分子结合到所述聚合的单体中。聚合的液晶单体可以具有许多种不同的化学组成，并且用于断裂键的试剂类型取决于所用的组成。但是，已经证明从化学角度(例如连接H桥作为次价键)以及从用户角度(H2O是廉价且无害的用来控制柔性结构的试剂)，H2O都可以用作许多应用的试剂。因此，根据一个实施方案，所述试剂包括H2O。已经证明有用的一组聚合的单体是具有结构R1-X-R3的聚合的单体组，其中R1和R3的每一种均包括丙烯酸酯或者甲基丙烯酸酯基团，并且X是羧基或吡啶基。根据一个具体的实施方案，试剂是H2O，聚合的单体具有以下结构：结构式1其中R1和R2的每一种都包含选自丙烯酸酯基或者甲基丙烯酸酯基的基团。上面的结构式提供了一种以直接且立即的方式响应水或水蒸汽的柔性结构。可选地，在用于流体环境中时，该结构可以对盐浓度的变化或者流体介质的酸度(pH)变化有反应。下面在具体描述的材料选择部分中给出了大量可选的聚合的单体。根据一个实施方案，聚合物网络还可以包含在施用所述试剂时不改变长/宽比的聚合液晶形状记忆单体。因此，聚合的形状记忆单体维持聚合物-->网络，从而在除去试剂时聚合的单体的可断裂次价键恢复。因而，柔性结构在除去试剂时伸直。典型地添加用量在1-30重量％范围内的形状记忆单体，并且在所得聚合物液晶中提供了当聚合物与所述试剂接触时不会离解的键。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含聚合物网络的柔性结构（４０１，４０２），所述聚合物网络（１００）包含聚合的液晶单体（１０２），其中所述结构限定了上表面层（２０３）和下表面层（２０４），使所述聚合的单体取向，以使上表面层（２０３）中聚合的单体的平均轴向基本上与下表面层（２０４）中聚合的单体的平均轴向不同，其中聚合的液晶单体（１０２）包含通过施用试剂（１０４）可以断裂的可断裂次价键（１０３）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2004-12-14 04106533.51.一种包含聚合物网络的柔性结构(401，402)，所述聚合物网络(100)包含聚合的液晶单体(102)，其中所述结构限定了上表面层(203)和下表面层(204)，使所述聚合的单体取向，以使上表面层(203)中聚合的单体的平均轴向基本上与下表面层(204)中聚合的单体的平均轴向不同，其中聚合的液晶单体(102)包含通过施用试剂(104)可以断裂的可断裂次价键(103)。2.权利要求1的柔性结构(401，402)，其中使所述聚合的单体(102)取向，以使上表面层(203；301)中聚合的单体的平均轴向与下表面层(204；302)中聚合的单体的平均轴向基本上差90°。3.权利要求1的柔性结构(401，402)，其中所述聚合的液晶单体(102)在所述可断裂的次价键断裂时是可延伸的，以便所述可断裂次价键的断裂为所述试剂(104)的分子制造空间，并且将所述试剂(104)的分子结合在所述聚合的单体(102)中。4.权利要求1的柔性结构(401，402)，其中所述可断裂次价键(103)在聚合的液晶单体(102)中是H桥。5.权利要求1的柔性结构(401，402)，其中所述试剂(104)包括H2O。6.权利要求1的柔性结构(401，402)，其中所述聚合物网络(100)还包括不与所述试剂反应如断裂其次价键的聚合的单体。7.权利要求1的柔性结构(401，402)，其中所述聚合的单体(102)结构为R1-X-R3，其中R1和R3的每一种均包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、环氧化物、乙烯醚、氧杂环丁烷基团，或者与乙烯基结合的硫醇基团，并且其中X由两个羧基形成，或者由一个羧基和一个吡啶基形成。8.权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：KD哈里斯，CWM巴斯蒂安森，DJ布勒尔，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[]