[发明专利]一种双向形状记忆致动器的制备方法和使用方法

说明书

技术领域

本发明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。本发明还涉及一种这种致动器的使用方法。

背景技术

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(T_trans)，比如融化温度(T_trans＝T_m)或者玻璃化转变温度(T_trans＝T_g)，在形状记忆效应中扮演开关的角色。形状A在T>T_trans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<T_trans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T_trans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(WO 2009/095434A)。通过合理的筛选在程控过程中聚合物变形的温度T_prog，在T_trans,_onset>T_prog>T_trans,_offset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。

Behl等人(Behl et al:Reversible bidirectional shape-memory polymers,Advanced Materials(2013)25,p.4466-4469)描绘了一种可逆双向形状记忆聚合物和用其所制得的致动器。这种聚合物网络包括两个有不同熔点T_m的分开的可结晶的域，即熔点为T_m,PCL＝34℃的聚(ε-己内酯)(PCL)和熔点为T_m,PPD＝64℃的聚(ω-十五内酯)(PPD)。在程控过程中，聚合物网络首先在一个程控温度T_reset下进行形变从而使聚合物链段定向化。然后将聚合物冷却到温度T_low＝0℃，且T_low是同时低于以上两个熔点温度T_m,PCL和T_m,PPD。释放形变应力后，将聚合物加热到温度T_high＝50℃，该温度是介于PCL区域和PPD区域的熔点温度T_m,PCL和T_m,PPD的。这种方法程控后的聚合物具有可以在无应力条件下通过在低于较低熔点T_m,PCL的T_low与介于PCL区域和PPD区域的两个熔点温度T_m,PCL和T_m,PPD之间的T_high之间改变温度而获得可反复地及可逆地在两个独立的形状之间进行形状改变的能力。在这种聚合物系统中，PCL区域是用来发挥可逆形变的致动作用的。另一方面，PDD区域在T_high时形成一个保持PCT致动器链段定向性的骨架，用以稳定程控后形变的几何形状，同时使系统具备弹性。因此，致动和形状稳定性这两个功能分配在两个化学成分不同的相上面。

发明内容