一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法与流程

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种宏观尺度上实现高聚物自折叠的设计方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明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，本发明的技术方案如下：

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发明进一步说明。

图1是本发明实施例1中高聚物与橡胶粘贴方式示意图。

图2是本发明实施例1中高聚物自折叠结束后样品结构示意图。

图3是本发明实施例2中高聚物与橡胶粘贴方式示意图。

图4是本发明实施例2中高聚物自折叠结束后样品结构示意图。

图5是本发明实施例3中高聚物与橡胶粘贴方式示意图。

图6是本发明实施例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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

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3cm的小段，再将橡胶(2)裁剪为长度为5cm，宽度为3cm的片状，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)，将高聚物(1)小段均匀叠加在橡胶(2)的表面上，高聚物(1)小段的长和片状橡胶(2)的宽相平行(二者之间呈0°角)，用瞬干胶将高聚物(1)与橡胶(2)接触的表面进行粘贴，如图3所示；

(4)放置1h，放入70℃恒温水浴箱中5min，得到最终的成圆管状的三维结构样品，如图4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，最终得到圆管状的三维形状。

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3：

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)步骤(1)预变形后的高聚物(1)不作处理，再将橡胶(2)裁剪为长度为9cm，宽度为0.7cm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)，将高聚物(1)均匀叠加在橡胶(2)的表面上，高聚物(1)和条状的橡胶(2)之间平行(二者之间呈0°角)，用瞬干胶将高聚物(1)与橡胶(2)接触的表面进行粘贴，如图5所示；

(4)放置1h，放入70℃恒温水浴箱中5min，得到最终的成圆环状的三维结构样品，如图6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，最终得到圆环状的三维形状。

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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。