一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，将具有形状记忆特性的玻璃态的高聚物进行预变形，并控制长度预变性的大小，然后卸载；根据需要控制高聚物与橡胶的几何尺寸；再将变形后的高聚物与橡胶粘贴；升高环境温度，复合平面结构转变成三维形状。本发明专利技术高聚物自折叠的设计方法是在宏观尺度上实现的，设计尺度由微米级提升到厘米级，只利用了温度这一种外界刺激因素，使预应变后的形状记忆高聚物产生形状恢复，并由其表面粘结的橡胶材料的限制，实现了高聚物平面双层材料的自折叠效应，实验设备相对简单，实验条件容易控制，实验操作简单易行，进而使得设计方法相对简便。

A Design Method for Self-folding of Polymers at Macro Scale

The invention relates to a macro-scale design method for realizing self-folding of polymers, which pre-deforms glass-like polymers with shape memory characteristics, controls the size of length pre-deformation, and then unloads them; controls the geometrical size of polymers and rubber according to needs; then bonds deformed polymers with rubber; increases the environmental temperature, and transforms the composite plane structure into three. Dimension shape. The design method of the self-folding polymer of the invention is realized on the macro scale. The design scale is raised from micron level to centimeter level. The external stimulus factor of temperature is used only to restore the shape of the pre-strained shape memory polymer, and the self-folding effect of the planar double-layer polymer material is realized by the restriction of the rubber material bonded on the surface of the pre-strained shape memory polymer. The design method is relatively simple because of its simplicity, easy control of experimental conditions and easy operation.

【技术实现步骤摘要】
一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法
本专利技术属于高分子材料
，具体涉及一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法。
技术介绍
从二维平面结构转变为三维结构的机械方法有三维打印、手工折叠等，除此之外，高聚物的自折叠也是一种从二维平面转变为三维结构的有效方法，并且与传统的机械方法相比，该方法更加廉价，快速和易于实现。通过高聚物的折叠，能够得到任意复杂形状的三维结构物体，如各种复杂的机器，甚至是机器人，并且物体的形状可以随着环境的变化而改变，因此可在纳米、微观以及宏观尺度上进行工作，可以应用于微观电子学，医学，芯片，军事和航天等领域。随着机器的三维结构变得愈加复杂化，选择高聚物的自折叠的方法会有效增强工作效率，在很大程度上减少了制造复杂几何形状所付出的时间和人工成本。在一些特殊的环境下，也可以减少人类暴露在恶劣环境中的可能，例如：卫星在进入轨道之后实现自我折叠，在没有工程师的情况下组装军事设施等。形状记忆高聚物代表了一类对外界刺激——热、光、PH、溶液和磁场做出反应并发生形状改变的活跃材料，因此，高聚物的自折叠的主体为形状记忆高聚物。现在已有的自折叠技术大致可以分为，利用加热(温度)、磁场、电场和溶液刺激来实现。目前，高聚物的自折叠大多在微米级尺度上进行设计，并且需要利用电场，磁场，局部光照加热以及溶液多种刺激来实现高聚物的自折叠，实验设备复杂，实验条件不易控制。例如，需要不同成分的高聚物，通过其对刺激物的不同反应来实现其自折叠；在高聚物上局部涂上墨粉，再通过光照或电刺激使其局部受热不同来实现自折叠等。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，利用温度刺激，使预应变后的形状记忆高聚物产生形状恢复，并由其表面粘结的橡胶材料的限制，进而实现了高聚物平面双层材料的自折叠效应。以克服现有技术中实验设备复杂，实验条件不易控制等问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，包括以下步骤：(1)将玻璃态的高聚物进行预变形，并控制长度预变性的大小，然后卸载；(2)根据需要控制高聚物与橡胶的几何尺寸；(3)再将变形后的高聚物与橡胶粘贴；(4)升高环境温度，复合平面结构转变成三维形状；其中，高聚物为具有形状记忆特性的非晶态高聚物。进一步地，高聚物为丙烯酸酯基聚合物、苯乙烯基聚合物、环氧基聚合物、乙烯基聚合物、聚酯类聚合物中的一种。进一步地，丙烯酸酯基聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸等，苯乙烯基聚合物包括聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物等，环氧基聚合物包括聚环氧丙烷、聚环氧乙烷等，乙烯基聚合物包括聚乙烯、聚乙烯/尼龙-6接枝共聚物等，聚酯类聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。进一步地，橡胶为耐热橡胶。进一步地，橡胶为丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯橡胶、氯醇橡胶、丙烯酸酯橡胶中的一种。进一步地，步骤(1)中高聚物的长度预变形大小为50～300％。进一步地，步骤(2)中高聚物的长度至少为0.5cm，宽度至少为0.5cm。进一步地，步骤(2)中橡胶的长度至少为0.5cm，宽度至少为0.5cm。进一步地，步骤(3)中高聚物叠加在橡胶的表面上。进一步地，步骤(3)中高聚物与橡胶粘贴时间至少为0.5小时。进一步地，步骤(4)中环境温度升高至60～100℃。本技术方案中，高聚物自折叠的设计方法是在宏观尺度上实现的，仅利用温度一种外界刺激因素，使预应变后的形状记忆高聚物产生形状恢复，并由其表面粘结的橡胶材料的限制，实现了高聚物平面双层材料的自折叠效应，最终得到复杂的三维形状。相较于现有技术的自折叠设计方法——大多在微米级尺度上进行设计，并且需要利用电场，磁场，局部光照加热以及溶液刺激来实现高聚物的自折叠。本技术方案中的设计方法将设计尺度由微米级提升到厘米级，只利用了温度这一种外界刺激因素，使得实验设备相对简单(水浴加热或者空气加热)，实验条件容易控制，实验操作简单易行，进而使得设计方法相对简便。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术实施例1中高聚物与橡胶粘贴方式示意图。图2是本专利技术实施例1中高聚物自折叠结束后样品结构示意图。图3是本专利技术实施例2中高聚物与橡胶粘贴方式示意图。图4是本专利技术实施例2中高聚物自折叠结束后样品结构示意图。图5是本专利技术实施例3中高聚物与橡胶粘贴方式示意图。图6是本专利技术实施例3中高聚物自折叠结束后样品结构示意图。附图中：1、高聚物2、橡胶具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1：一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，设计方法步骤如下：(1)将长度为5cm，宽度为1cm的玻璃态的高聚物(1)片材用拉伸机进行拉伸变形，使其最终长度均匀变形为180％，长度为9cm，宽度为0.7cm，本实施例中，高聚物(1)为聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯；(2)将步骤(1)预变形后的高聚物(1)裁剪为长度为1cm的小段，再将橡胶(2)裁剪为长度为6cm，宽度为1cm的条状，本实施例中，橡胶(2)为硅橡胶；(3)使用橡胶表面处理剂处理条状的橡胶(2)，高聚物(1)叠加在橡胶(2)的表面上，二者之间呈45°角，用瞬干胶将高聚物(1)与橡胶(2)接触的表面进行粘贴，且相邻高聚物小段间也进行紧密粘贴，如图1所示；(4)放置1h，放入70℃恒温水浴箱中5min，得到最终的成螺旋状的三维结构样品，如图2所示。实施例1中，高聚物可以更换为丙烯酸酯基聚合物、苯乙烯基聚合物、环氧基聚合物、乙烯基聚合物、聚酯类聚合物中的任一种，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷、聚乙烯、聚乙烯/尼龙-6接枝共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。实施例1中，硅橡胶可以更换为耐热橡胶中的任一种，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯橡胶、氯醇橡胶、丙烯酸酯橡胶等。本实施例中，高聚物自折叠的设计方法是在宏观尺度上实现的，仅利用温度一种外界刺激因素，使预应变后的形状记忆高聚物产生形状恢复，并由其表面粘结的橡胶材料的限制，实现了高聚物平面双层材料的自折叠效应，最终得到螺旋状的三维形状。相较于现有技术的自折叠设计方法——大多在微米级尺度上进行设计，并且需要利用电场，磁场，局部光照加热以及溶液刺激来实现高聚物的自折叠。本技术方案中的设计方法将设计尺度由微米级提升到厘米级，只利用了温度这一种外界刺激因素，使得实验设备相对简单(水浴加热)，实验条件容易控制(恒温水浴箱中加热)，实验操作简单易行(高聚物与橡胶粘贴后放置1h，放入70℃恒温水浴箱中5min)，进而使得设计方法相对简便。实施例2：一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，设计方法步骤如下：(1)将长度为5cm，宽度为1cm的玻璃态的高聚物(1)片材用拉伸机进行拉伸变形，使其最终长度均匀变形为180％，长度为9cm，宽度为0.7cm，本实施例中，高聚物(1)为聚对苯二甲酸乙二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将玻璃态的高聚物进行预变形，并控制长度预变性的大小，然后卸载；(2)根据需要控制高聚物与橡胶的几何尺寸；(3)再将变形后的高聚物与橡胶粘贴；(4)升高环境温度，复合平面结构转变成三维形状；其中，高聚物为具有形状记忆特性的非晶态高聚物。

【技术特征摘要】
1.一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将玻璃态的高聚物进行预变形，并控制长度预变性的大小，然后卸载；(2)根据需要控制高聚物与橡胶的几何尺寸；(3)再将变形后的高聚物与橡胶粘贴；(4)升高环境温度，复合平面结构转变成三维形状；其中，高聚物为具有形状记忆特性的非晶态高聚物。2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：高聚物为丙烯酸酯基聚合物、苯乙烯基聚合物、环氧基聚合物、乙烯基聚合物、聚酯类聚合物中的一种。3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：橡胶为耐热橡胶。4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于：橡胶为丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖锐，田传帅，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32