DE102012112564A1

DE102012112564A1 - Thermosensitives Steuerelement

Info

Publication number: DE102012112564A1
Application number: DE201210112564
Authority: DE
Inventors: Thorsten Pretsch; Sascha Hothan
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: DE102012112564B4

Abstract

Wärmesensitives Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer, zum Steuern einer über eine Versorgungsleitung erfolgenden Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement als Sensor und Aktor wirkt und mit dem Erfassen einer Temperatur, die einer Schalttemperatur Ttrans des Formgedächtnispolymers entspricht, einen Steuerzustand ändert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Formgedächtnispolymeren für sicherheitsrelevante Anwendungen, insbesondere im Bereich des Brandschutzes. Die vorgeschlagenen Lösungen betreffen die Nutzung sensorischer und/oder aktorischer Eigenschaften eines Steuerelements, umfassend ein Formgedächtnispolymer (FGP) bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur im Falle eines Brandes.
Im Brandfall stellt neben der gezielten Freisetzung eines geeigneten Löschmittels auch die Unterbrechung einer Luftzufuhr, das Schließen von Fenstern, Türen und insbesondere von Durchgängen oder die Unterbrechung von Versorgungsleitungen eine bedeutsame brandmindernde und somit schadensmindernde Maßnahme dar.
Neben der manuellen Betätigung entsprechender Vorrichtungen kommt einer automatischen und nur im tatsächlichen Brandfall erfolgenden Auslösung von Ver- und Entriegelungsmechanismen eine besondere Bedeutung zu.
Bekannte Auslösemechanismen des selbsttätigen Schließens von Feuerschutztüren beruhen beispielsweise auf der Verwendung von Elektromagneten, die einen Durchgang während des Normalbetriebs offen halten, den selbsttätigen Schließmechanismus der Tür jedoch auslösen, sobald die Stromversorgung des Elektromagneten unterbrochen wird. Ebenso kann eine Tür durch einen Permanentmagneten gehalten werden, dessen Wirkung bei Betrieb eines geeignet angeordneten Elektromagneten aufgehoben wird, so dass die Tür, beispielsweise nach Betätigen eines Nottasters oder auf das Signal eines Rauch- oder Brandmelders hin, selbsttätig ins Schloss fällt.
Typische Auslösemechanismen für Sprinkleranlagen beruhen hingegen auf der Verwendung eines Schmelzlotes, das bei einer legierungsbedingten Schmelztemperatur unter Hitzeeinwirkung die Freisetzung des Löschmittels bewirkt, oder auf der Verwendung alkoholgefüllter Glastönnchen, die bei einer voreingestellten Temperatur bersten und dabei die Verteilerdüse des Sprinklers freigeben.
Vor diesem Hintergrund wird gemäß Anspruch 1 ein wärmesensitives Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer, gemäß Anspruch 14 die Verwendung eines solchen und gemäß Anspruch 15 ein Herstellungsverfahren für ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen sowie den beigefügten Figuren.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein wärmesensitives Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen. Das Steuerelement dient zum Steuern einer über eine Versorgungsleitung erfolgenden Versorgung und ist dadurch gekennzeichnet, dass es sowohl als Sensor als auch als Aktor wirkt und mit dem Erfassen einer Temperatur, die einer Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers entspricht, einen Steuerzustand ändert.
Dabei bezeichnet die Schalttemperatur T_trans diejenige Temperatur, bei der das Formgedächtnispolymer aus einem temporären Zustand in einen herstellungsbedingten Primärzustand bzw. Ausgangszustand wechselt. Der Steuerzustand betrifft typischerweise eine Durchgängigkeit oder Durchlässigkeit der Versorgungsleitung und hat damit unmittelbaren Einfluss auf die betreffende Versorgung. Dabei ändert das Steuerelement entweder seine Größe oder seine Form, bzw. Gestalt. Beispielsweise kann dabei eine zuvor verschlossene Öffnung geschlossen werden. Ebenso kann sich eine Öffnung verengen oder vollständig verschließen. Vorteile dieser Ausführungsform umfassen die berührungslose, durch die Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers vorgebbare Betätigung von Schaltern oder fluidischen Verbindungen, bzw. zum Flüssigkeitsaustritt vorgesehenen Öffnungen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Öffnung im FGP in Form einer Düse ausgeführt, deren Form strömungstechnisch so optimiert ist, dass ein aus der Düse bei einem vorgegebenen Druck austretendes Löschmittel bekannter Viskosität in einer gewünschten Art und Weise versprüht, vernebelt oder gerichtet verteilt oder abgegeben wird. Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in einer gerichteten und/oder angepassten Löschmittelabgabe und/oder -Verteilung. Weitere Vorteile betreffen die Vielseitigkeit möglicher Anwendungsszenarien und einen geringen Wartungsaufwand.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement zum Steuern einer über eine Versorgungsleitung erfolgenden Versorgung vorgeschlagen, wobei die Versorgung ausgewählt ist unter einer Frischluftversorgung, einer Versorgung mit einem Fluid oder einer Stromversorgung, bzw. der Versorgung mit einer elektrischen Spannung.
Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der universellen Einsetzbarkeit des Steuerelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement vorgeschlagen, das ein Steuern mit dem Erfassen einer Temperatur vornimmt, die einer Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers entspricht wobei die Schalttemperatur T_trans einem Wechsel des Formgedächtnispolymers von einem temporären Zustand in einen Ausgangszustand entspricht.
Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass verschiedene Formgedächtnispolymere oder Modifikationen solcher bekannt sind, deren Schalttemperaturen einen weiten Temperaturbereich abdecken, sodass anwendungsspezifisch optimierte Stellglieder bereitgestellt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, wobei der temporäre Zustand des Formgedächtnispolymers durch eine thermo-mechanische Programmierung eingestellt ist.
Vorteile ergeben sich aus der Vielfalt der mittels einer thermomechanischen Programmierung herstellbaren temporären Zustände, insbesondere von Steuerelementen unterschiedlicher und anwendungsspezifischer Form.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, wobei das Steuerelement im temporären Zustand des Formgedächtnispolymers die Versorgungsleitung geschlossen und im Ausgangszustand des Formgedächtnispolymers die Versorgungsleitung offen hält oder umgekehrt.
Vorteile ergeben sich daraus, dass in Abhängigkeit von einer erreichten Umgebungstemperatur eine geschlossene Versorgungsleitung geöffnet oder eine geöffnete Versorgungsleitung geschlossen werden kann. Das bestimmungsgemäße Öffnen oder Schließen der betreffenden Versorgungsleitung bewirkt eine Anpassung der Versorgung an die betreffende Situation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement vorgeschlagen, wobei eine äußere Oberfläche des Steuerelements eine Struktur aufweist, ausgewählt unter zumindest einer Rippe, einem Grat, einer Riefe, einer Rille und/oder einer Furche.
Vorteile ergeben sich aus der so erreichten Vergrößerung der effektiven Oberfläche. Dadurch können die sensorischen Eigenschaften des Steuerelements zusätzlich einem Anwendungsszenario angepasst werden. Beispielsweise kann durch eine vergrößerte Oberfläche und einen damit bewirkten schnelleren Temperaturausgleich mit der Umgebung eine Ansprechzeit des Steuerelements verkürzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, wobei die Öffnung unmittelbar im Formgedächtnispolymer ausgebildet ist oder das einen Schaltkontakt offen oder geschlossen haltende Formgedächtnispolymer ein elektrisch leitfähiges oder ein elektrisch leitfähig gemachtes Formgedächtnispolymer ist.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus dem verzögerungsfrei ausgelösten Schaltvorgang. Die thermosensorischen Eigenschaften des Formgedächtnispolymers werden unmittelbar genutzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, wobei das Steuerelement integraler Bestandteil der Versorgungsleitung ist.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht beispielsweise darin, dass ein entsprechendes Rohrsystems über das unmittelbar integrierte Steuerelement geschaltet werden kann. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise ein Rohrstutzen geöffnet werden. Das betrifft insbesondere die Freisetzung eines Fluids aus dem Rohrsystem oder die freie Zirkulation des Fluids im Rohrsystem zu einem Verbraucher oder einer Zapfstelle. Ebenso kann ein elektrischer Schaltkreis durch ein unter Überhitzung kontrahierendes elektrisch leitfähiges Formgedächtnispolymer unterbrochen werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann das Steuerelement Bestandteil einer Rohrleitung für ein Fluid oder Bestandteil eines elektrischen Schaltkreises sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das in der Versorgungsleitung vorliegende Fluid zumindest ein Löschmittel, das ausgewählt ist unter: Wasser, einem Schaum, einem Inertgas, einem Pulver. Dabei umfasst das Inertgas ein Sauerstoffverdrängendes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, oder, beispielsweise, ein Edelgas.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus der brandlöschenden Wirkung des rechtzeitigen und ortsgenauen Zuführens und/oder Freisetzens von Löschmitteln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement vorgeschlagen, wobei das Steuerelement Bestandteil einer Brandmeldeanlage, einer Brandlöschanlage, einer Lüftungsanlage, einer Notöffnungsanlage oder eine Rauchabzugsvorrichtung ist.
Vorteile ergeben sich aus der nutzbringenden Kombination sensorischen und aktorischen Eigenschaften des beschriebenen Steuerelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement vorgeschlagen, wobei eine durch einen Brand verursachte Erhitzung erfasst wird und das Steuerelement Bestandteil einer Brandschutzvorrichtung ist.
Vorteile bestehen auch hier in der unmittelbar schadensmindernden Wirkung der ausgelösten Steuerung, beispielsweise durch Löschmittelzufuhr, Löschmittelfreisetzung oder eine Unterbrechung oder Frischluftzufuhr.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, wobei das Formgedächtnispolymer Polymethylmethacrylat (PMMA) ist.
Vorteile ergeben sich aus dem weiten durch geeignet thermomechanisch programmiertes PMMA abgedeckten Temperaturbereich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, wobei das Formgedächtnispolymer ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend:
lineare Block-Copolymere, insbesondere Polyurethane und Polyurethane mit ionischen oder mesogenen Komponenten, Block-Copolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid, Block-Copolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien), ABA Triblock-Copolymere aus Poly-(2-methyl-2-oxazolin) (A-Block) und Polytetrahydrofuran (B-Block), Multiblock-Copolymere aus Polyurethanen mit Poly(ε-caprolacton)-Schaltsegment, Block-Copolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid, Blockcopolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien), Polyurethansysteme, deren Hartsegment-bildende Phase aus Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) oder Toluol-2,4-diisocyanat (TDI) und einem Diol, insbesondere 1,4-Butandiol, oder einem Diamin und einem Schaltsegment auf der Basis eines Oligoethers, insbesondere Polytetrahydrofuran oder eines Oligoesters, insbesondere Polyethylenadipat, Polypropylenadipat, Polybutylenadipat, Polypentylenadipat oder Polyhexalenadipat besteht, Materialien mit einer Hartsegment-bildenden Phase aus TDI, MDI, Diisocyanaten, die insbesondere aus MDI oder Hexamethylendiisocyanat in Carbodiimid-modifizierter Form und aus Kettenverlängerern, insbesondere Ethylenglycol, Bis(2-hydroxyethyl)-hydrochinon oder einer Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Ethylenoxid aufgebaut sind, deren Schaltsegment-bestimmende Blöcke aus Oligoethern, insbesondere aus Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Polytetrahydrofuran oder aus einer Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Propylenoxid, oder aus Oligoestern, insbesondere Polybulylenadipat, bestehen, Materialien aus Polynorbornen, Graft-Copolymere aus Polyethylen/Nylon-6, Block-Copolymere mit polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen (POSS), einschließlich den Kombinationen Polyurethan/POSS, Epoxid/POSS, Polysiloxan/POSS, Polymethylmethacrylat/POSS, silikonbasierte Formgedächtnispolymere und Materialien aus Poly(cycloocten), polyadipat-basierte Poly(ester urethane), Polyvinylchlorid, Polyethylen-Polyvinylazetat-Copolymere, kovalent vernetzte Copolymersysteme aus Stearylacrylat und Ester der Methacrylsäure, ein Poly(ester urethan), ein chemisch quervernetztes semi-kristallines trans-Polyoctenamer, ein Ethylenoxid-Ethylenterephthalat-Copolymer, ein Poly(ether urethan), Polynorbornen, ein Norbonyl-POSS-Hybrid-Copolymer, ein Copolymer aus Poly(ethylen terephthalat) und Poly(ethylen glycol), ein Polymer aus dem Monomer tert-Butylacrylat und dem Quervernetzer Diethylenglykol diacrylat, ein Copolymer, das aus den Monomeren Methylmethacrylat und Butylmethacrylat aufgebaut und durch Tetraethylenglykoldimethacrylat quervernetzt ist, ein Copolymer, das aus Methylmethacrylat und Poly(ethylen glykol)dimethacrylat aufgebaut ist, eine chemisch quervernetzte Verbindung auf Basis der Monomere Methacrylsäure, Methyl methacrylat und Poly(ethylen glykol), ein Copolymer aus Polyethylen oder isotaktischem Polypropylen und einem Cyclodiolefin, insbesondere Vinylcyclohexen, Cyclopentadien, 1,5-Cyclooctadiene, 2,5-Norbornadien, 5-Vinyl-2-norbornen, Dicyclopentadien oder 5-Ethyliden-2-norbornen, ein quervernetztes Poly(vinyl chlorid), ein quervernetztes Ethylen-vinyl acetat-Copolymer. Multiblockcopolymere basierend auf zwei kristallisierbaren Segmenten, insbesondere Poly(penta decalacton) (PPD) und PCL-Blöcken, und Diisocyanaten, insbesondere 1,6-Diisocyanat-2,2,4-trimethylhexan und 1,6-Diisocyanat-2,4,4-trimethylhexan.
Vorteile ergeben sich aus der Vielfalt der über die chemische Struktur einstellbaren Schalttemperaturbereiche und zu deren Optimierung zugängliche Steuergrößen, beispielsweise Vernetzungsgrad, Kettenlänge und Stabilität.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung einer Kombination von zumindest zwei Steuerelementen vorgeschlagen die jeweils voneinander verschiedene Formgedächtnispolymere umfassen. Dabei ist eine Schalttemperatur T_trans2 des Formgedächtnispolymers des zweiten Steuerelements zumindest um 25 K höher ist als die Schalttemperatur T_trans1 des Formgedächtnispolymers des ersten Steuerelements, wobei das zweite Steuerelement bezogen auf eine Versorgungsquelle dem ersten Steuerelement nachgeordnet ist. Beispielsweise ist das zweite Steuerelement dem ersten strömungstechnisch nachgeordnet.
Vorteile dieser Kombination ergeben sich aus den erweiterten Möglichkeiten einer Schaltfolge. Beispielsweise kann zunächst eine Stoffzufuhr durch Entriegelung erfolgen und dann je nach Bedarf die temperatur-getriggerte Unterbindung der Stoffzufuhr durch erneute Verriegelung ausgelöst werden. Ebenso kann die Bereitstellung von ggf. brandgefährdenden oder brandfördernden Medien in eine Gefahrenzone unterbunden werden. Das kann vorteilhaft für die Prozessgestaltung unter Verwendung von brennbaren Hilfsstoffen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Herstellungsverfahren für ein Steuerelement zum Steuern einer über eine Versorgungsleitung erfolgenden Versorgung vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Steuerelement als Sensor und Aktor wirkt, und mit dem Erfassen einer Temperatur, die einer Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers entspricht, einen Steuerzustand ändert. Das Verfahren umfasst: – das Bereitstellen eines Formgedächtnispolymers; – ein Temperieren des Formgedächtnispolymers auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers; – ein Beaufschlagen des Formgedächtnispolymers mit einer Verformungskraft; und – das Abkühlen des Formgedächtnispolymers auf eine Temperatur unterhalb seiner Schalttemperatur T_trans unter Beibehaltung der unter Einwirkung der Verformungskraft aufgezwungenen Form.
Vorteile dieses Herstellungsverfahrens ergeben sich aus seiner Einfachheit und Möglichkeiten der flexiblen Verfahrensgestaltung. So kann das zum Beaufschlagen mit der Verformungskraft eingesetzte Werkzeug flexibel der jeweiligen Aufgabe angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, wobei die Verformungskraft entweder eine zuvor bei einer Temperatur unterhalb der Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers in das Formgedächtnispolymer eingebrachte Öffnung verschließt oder eine zuvor durchgehende Schicht des Formgedächtnispolymers zumindest teilweise durchbricht, sodass eine Öffnung geformt wird.
Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der Bereitstellung temperaturschaltbarer Steuerelemente für die vorstehend beschriebenen Anwendungen.
Als Formgedächtnispolymere werden im allgemeinen Kunststoffe bezeichnet, die sich nach einer Umformung an ihre frühere Form, auch Primärform, scheinbar "erinnern" können und insofern ein Formgedächtnis besitzen. Diese Primärform, auch permanente Form, ist durch die herstellungsbedingte Anordnung chemischer (kovalenter) und/oder physikalischer (nicht kovalenter) Vernetzungsstellen der Polymere zueinander bedingt. Beispiele dieser schaltbaren Polymere sind phasensegregierte, lineare Blockcopolymere, die aus Hart- und Weichsegmenten aufgebaut sind. Die schaltbaren Polymere können weitere spezifische Eigenschaften aufweisen.
Unter spezifischen Eigenschaften einer FGP-Komponente werden beispielsweise dessen Schmelztemperatur T_m, dessen Glasübergangstemperatur T_g, die Kristallisationstemperatur der Weichsegmente eines Blockcopolymeren und daraus resultierende Formgedächtniseigenschaften, wie das Maß oder der Grad der erreichten Rückstellung (recovery), seine Rückstellrate und seine Rückstelltemperatur, auch als Schalttemperatur T_trans bezeichnet, verstanden.
Unter thermosensitiven Formgedächtnispolymeren kann man allgemein unterscheiden zwischen Formgedächtnispolymeren, für die die Schalttemperatur T_trans einem Glasübergang entspricht (T_trans = T_g), und Formgedächtnispolymeren, für die die Schalttemperatur T_trans der Schmelztemperatur kristalliner Weichsegmente entspricht (T_trans = T_m). Im letzteren Fall weisen die Formgedächtnispolymere zwei Komponenten auf, wobei eine erste Komponente ein elastisches Polymer (Hartsegment) und die zweite Komponente ein aushärtendes Wachs (Weichsegment) ist. Deformiert man das FGP in erwärmtem Zustand, so wird das elastische Polymer durch das ausgehärtete Wachs in seiner deformierten Form „arretiert“. Erwärmt man das FGP anschließend, so wird das Wachs weich und kann einer rückstellenden Federkraft der elastischen Komponente nicht mehr entgegenwirken. Das FGP nimmt seine ursprüngliche Form an. Die genannten Parameter eines FGP sind dem Fachmann bekannt oder sind ihm ohne besonderen Aufwand zugänglich.
Um die besonderen Vorteile von Formgedächtnispolymeren nutzen zu können, wird zunächst die Primärform des gewünschten Artikels hergestellt. Das kann, beispielsweise, durch Gießverfahren aus einer in eine Form gegossene Schmelze, durch Extrudieren, durch ein nachfolgendes spanabhebendes Bearbeitungsverfahren oder Ablieren eines gegossenen oder extrudierten Rohlings oder durch das Abtreiben eines Lösungsmittels aus einer Lösung des FGP auf oder in einer Form erfolgen. Daran schließt sich der Schritt der Programmierung an.
Typischerweise erfolgt die Programmierung eines FGP-Artikels gemäß den nachfolgend genannten Schritten: (a) – Temperieren eines FGP-Artikels auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers; (b) – Belasten des Artikels mit einer verformenden Kraft; (c) – Verformen des Artikels in eine gewünschte Form bzw. Aufzwingen einer Form; (d) – Abkühlen des Artikels auf eine Temperatur unterhalb der Formfixierungstemperatur, die ausgewählt ist unter einer Glasübergangstemperatur oder einer Kristallisationstemperatur des Formgedächtnispolymers und (e) – Entlasten des verformten Artikels unter Beibehalten der aufgezwungenen Form.
Gemäß der vorgeschlagenen Ausführungsformen sind für das beschriebene temperaturschaltbare Steuerelement sowohl Formgedächtnispolymere einsetzbar, deren Formgedächtniseffekt durch das Erreichen einer Kristallisationstemperatur von Bestandteilen des FGP erreicht wird, als auch Formgedächtnispolymere, deren Formgedächtniseffekt durch das Erreichen einer Glasübergangstemperatur des FGP, bzw. eines entsprechenden Abschnittes der das Formgedächtnispolymer umfassenden Polymermoleküle, ausgelöst wird.
Somit kann der Kristallisationsübergang genutzt werden, wenn kristalline Bereiche des Polymers während des Programmierschrittes aufgeschmolzen wurden. Erreicht der programmierte Polymerartikel erneut die Kristallisationstemperatur, so wird der Formgedächtnis-Effekt ausgelöst und der Polymerartikel nimmt wieder seine primäre, herstellungsbedingte Form an.
Ergebnis der Programmierung ist der Erhalt des Steuerelements, umfassend ein FGP, in einer zweiten räumlichen Form, die hier auch als temporäre Form bezeichnet wird.
Um nun die frühere Form des programmierten Steuerelements abzurufen, muss das FGP einem Stimulus ausgesetzt werden. Dieser Stimulus kann beispielsweise eine Wärmezufuhr umfassen. Die Zuführung der Wärme kann direkt oder indirekt erfolgen. Der einsetzende Formgedächtniseffekt (FGE) bewirkt ein Rückstellen der äußeren Form des FGP-Steuerelements in dessen ursprüngliche, herstellungsbedingte Primärform.
Die meisten der in der Literatur beschriebenen Formgedächtnispolymere weisen einen thermisch induzierten Formgedächtniseffekt auf. Das bedeutet, dass bei Erwärmung programmierter Polymermaterialien über eine definierte Übergangstemperatur eine durch Entropieelastizität fast vollständige Rückverformung in die permanente Form stattfindet.
Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele wird eine direkte Erwärmung des (programmierten) FGP-Artikels durch IR-Einstrahlung oder den Kontakt mit einem heißen Fluid, beispielsweise heißer Luft oder heißen Brandgasen, die typischerweise im Brandfall auftreten, und die damit ausgelöste Rückstellung des Steuerelements für Anwendungen im Brandschutz vorgeschlagen.
Ebenso kann aber die Rückstellung durch indirekte Wärmezufuhr erfolgen, indem sich ein im FGP dauerhaft eingebettetes Hilfsmaterial in Wechselwirkung mit einem externen elektromagnetischen Feld oder einem Stromfluss erwärmt und Wärme auf die FGP-Matrix überträgt.
Derartige Hilfsmaterialien können beispielsweise eine Graphenstruktur aufweisen, wie sie beispielsweise im Graphit, in Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen-Flocken oder expandiertem Graphit vorliegt. Ebenso können Hilfsmaterialien Metalle oder andere elektrische Leiter umfassen.
Insbesondere können Hilfsstoffe, die in der FGP-Matrix wohl verteilt vorliegen können, die Wärmeleitfähigkeit eines FGPs erhöhen. Beispielsweise kommen als Füllstoffe in Betracht nanoskalige Füllmaterialien wie Gold-, Silber- oder Kupferpartikel, magnetische Nanoteilchen, ferromagnetische Partikel, insbesondere NiZn-Partikel, Eisenoxidpartikel und Magnetitpartikel. Ebenfalls können sogenannte Nanoclays als Füllstoffe verwendet werden. Die Nanoclays können beispielsweise auf Basis von Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Zirkonoxid und/oder Aluminiumoxid gebildet sein. Andere mögliche Füllstoffe sind oligomere Silsesquioxane, Graphit-Partikel, Aluminiumfolie, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kunstfasern, dabei insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Kevlarfasern, aber auch Metallpartikel. Selbstverständlich können auch Kombinationen der genannten Hilfsstoffe oder der genannten Partikel mit weiteren Füllmaterialien oder Partikeln verwendet werden.
Ein Vorteil von dem FGP zugesetzten Hilfsmaterialien oder in das FGP eingebetteten Materialien besteht darin, dass sie durch ihre Größe und Materialeigenschaften, die Energie eingestrahlter elektromagnetischer Felder absorbieren, in Wärme umwandeln und an die sie umgebende Matrix des Formgedächtnispolymers abgeben oder eine bei Stromfluss auftretende Widerstandswärme das FGP erwärmt. Damit kann eine effektive Erwärmung und schnelle Formveränderung eines aus FGP bestehenden Elements berührungslos erreicht werden.
Die direkt oder indirekt bewirkte Erwärmung des Formgedächtnispolymers induziert die Rückstellung der Gestalt eines hier verallgemeinernd als Steuerelement bezeichneten Elements aus einer temporären in eine ursprüngliche, primäre Ausgangsform. Dieser Formübergang, bzw. die Ausgangsform ist vorteilhafterweise diejenige, die eine Öffnung eines zuvor geschlossenen Ventils oder ein Verschließen eines zuvor geöffneten Durchganges gewährleistet.
Unter einer Sprinkleranlage wird im vorliegenden Zusammenhang eine Löschanlage verstanden, die aus einem fest installierten Rohrsystem mit gleichmäßig über die ganze Fläche des Raumes verteilten Düsen besteht, wobei sich die Düsen bei Wärmeeinwirkung öffnen und das Wasser gleichmäßig verteilen. Es öffnen sich nur die Düsen im Bereich der Wärmeeinwirkung. Gleichzeitig erfolgt auch die Alarmierung der Feuerwehr. Seit 1952 gibt es den Spraysprinkler (heute als Schirmsprinkler bezeichnet), dessen besonderes Merkmal ein Sprühteller ist, der eine optimale Wasserverteilung ermöglicht.
Die Düsen von Sprinkleranlagen sind durch Schmelzlote oder durch mit Alkohol gefüllte Glasfässchen verschlossen. Bei Wärmeeinwirkung schmelzen die Lote oder die Alkoholfässchen platzen durch Überdruck.
Typische Charakteristika einer Sprinkleranlage bzw. eines einzelnen Sprinklers betreffen das Sprühbild, wonach beispielsweise Schirmsprinkler, Seitenwandsprinkler, Weitwurf-Wandsprinkler, konventionelle und Großtropfensprinkler (ESFR oder High Challenge Sprinkler) unterschieden werden. Eine weitere Kenngröße eines Sprinklers ist die realisierte Tröpfchengröße. Diese ist entscheidend für die erzielte Löschwirkung. Gewünscht ist eine Wasserverteilung mit möglichst großer Wasseroberfläche und damit großem Kühleffekt.

Eine weitere Kenngröße eines Sprinklers betrifft die sogenannte Wasserleistung. Wegen der unterschiedlichen Risiken werden Sprinkler mit verschiedenen Wasserleistungen benötigt. Die Wasserleistung wird nach der Formel Q = K·√p ermittelt, wobei Q – der Wassermenge in l/min entspricht und K – ein feststehender Ausflussfaktor des Sprinklers bei einem Druck von 1 bar ist und p – dem Druck am Sprinkler in bar entspricht. Folgende K-Faktoren sind zugelassen:

K-Zahl bei	Anschlußgewinde	Mindestwassermenge 0,5 bar in l/min:
57	3/8 " (nur für BG 1 + Regale)	40,0
80	1/2 " (am gebräuchlichsten)	57,0
115	3/4 "	81,3
160–202	3/4 " (Großtropfensprinkler 3,1 bar)	281,7–355,7

Der Mindestdruck beträgt 0,5 bar, der maximal zulässige Druck beträgt 5,0 bar.
Je nach Wahl des Formgedächtnispolymers lässt sich die thermische Schalttemperatur T_trans bedarfsgerecht einstellen. Dies sei anhand folgender Beispiele illustriert: Beispielsweise beträgt die Schalttemperatur T_trans epoxid-basierter Formgedächtnispolymere 58–65 °C oder 80–90 °C oder 98–104 °C, während die Übergangstemperatur von Polymethylmethacrylat (PMMA) T_trans(PMMA) typischerweise im Bereich von 85 bis 165 °C einstellbar ist.
Das benannte PMMA stellt ein hervorragendes Formgedächtnispolymer dar. Als bedeutsamer Vertreter der Acrylharze wird es durch Masse- oder Suspensionspolymerisation aus Methacrylsäuremethylester hergestellt. Es ist bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g von 85–165 °C plastisch verformbar, die aufgezwungene (temporäre) Form lässt sich bei Temperaturen unterhalb von T_g stabilisieren. Erwärmt man das PMMA erneut auf Temperaturen oberhalb seiner T_g, so kommt es zur vollständigen Rückverformung in die Ausgangsform.
PMMA transmittiert Licht besser als Mineralglas, ist witterungs- und alterungsbeständig, beständig gegen Säuren, Laugen mittlerer Konzentration, gegen Benzin und Öl. Die gute Witterungsstabilität von PMMA ist bedingt durch die rein aliphatische Struktur und die sterische Abschirmung der Polymerketten. Alkohole, Aceton und Benzol greifen PMMA jedoch an.
PMMA brennt unter geringer Rauchentwicklung auch nach dem Anzünden weiter. Die Brandgase enthalten u. a. das Monomere Methylmethacrylat, Formaldehyd, Ester, Alkohole und weitere Kohlenwasserstoffe. PMMA verbrennt knisternd, mit gelblicher Flamme, süßlichem Geruch, ohne zu tropfen und ohne Rückstände. Die Entflammungstemperatur von PMMA beträgt 300 °C und die Entzündungstemperatur 450 °C.
Unabhängig davon weist PMMA den sogenannten „Temperature Memory Effect“ (TME) auf. Das bedeutet, dass sich das Material an eine Deformationstemperatur erinnert, die innerhalb seines Glasübergangsbereichs liegt. Mit anderen Worten, PMMA stellt sich beim Erwärmen über die Deformationstemperatur weitestgehend vollständig in die Ursprungsform zurück.
Demnach decken Formgedächtnispolymere allgemein sowie verschiedene Modifikationen der einzelnen Vertreter von Formgedächtnispolymeren breite Temperaturbereiche ab. Genannte Modifikationen der FGP können sich, beispielsweise, hinsichtlich typischer mittlerer Molekulargewichte der das Netzwerk ausbildenden Polymerketten oder durch den Vernetzungsgrad unterscheiden, was wiederum zur Einstellung präzise wählbarer Charakteristika hinsichtlich des Formgedächtniseffektes der jeweiligen FGP genutzt werden kann. Somit decken FGP mit ihren einstellbaren Schalttemperaturen, die wie beschrieben auch von dem vorangehenden applizierten, thermo-mechanischen Verfahren abhängen, breite Temperaturbereiche ab. Dabei lassen die Wahl der Polymerdicke und die Art der Strukturierung, beispielsweise die der Laserstrukturierung auch die Einstellung der späteren Tröpfchengröße sowie die des Sprühbildes in Sprinkleranlagenbasierten Löschsystemen zu.
Laserschneiden ist ein hochgenaues, thermisches Trennverfahren mit hoher Leistungsdichte, geringer Wärmebelastung des umgebenden Werkstoffes, schmaler Schnittfuge und hoher Schneidgeschwindigkeit. Anwendbar ist dieses Trennverfahren für eine große Anzahl von Werkstoffen, wie z.B. Stahlbleche, weitere Metalle und Metalllegierungen, Keramiken und Kunststoffe. Als Trennwerkzeuge werden überwiegend kontinuierlich und gepulst betriebene CO₂-Laser mit Leistungen zwischen 500 und 1500 W eingesetzt. Aus dem glasklaren thermoplastischen Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA, auch Plexiglas genannt) können durch Einsatz eines Lasers auch komplizierte Formen mit sehr hoher Präzision hergestellt werden. Bei optimaler Abstimmung der Prozessparameter erfolgt die Trennung überwiegend unter Schmelzen und in nur geringem Ausmaß durch thermische Zersetzung des Polymeren.
Neben Laserschneiden lässt sich PMMA auch sich sehr gut mit CO₂-Lasern gravieren und ist kratzunempfindlicher als andere Thermoplaste. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sich selbstverständlich auch andere Formgedächtnispolymere mittels Laser schneiden und gravieren lassen, z. B. auch epoxid-basierte Formgedächtnispolymere.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft an Hand von Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 den schematischen Aufbau üblicher Sprinkler: A – Glastönnchen-Sprinkler und B – Schmelzlot-Sprinkler;
2 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sprinklers mit FGP-Aktor anstelle des Glastönnchens oder des Schmelzlotaktors
3 die thermisch schaltbare Verriegelung bei Ausstattung eines FGP-Artikels mit einem bei der thermo-mechanischen Programmierung (TMP) erzeugten Durchbruch, d.h. einer in das FGP eingedrückten Öffnung, die mit dem Auslösen des Formgedächtniseffekts durch Wärmezufuhr verschlossen werden kann;
4 unterschiedliche Profile bei der Programmierung erzeugter Eindrücke (Engl. – indents) in einer FGP-Schicht für Verriegelungszwecke;
5 die thermisch schaltbare Verriegelung durch Kombination einer beim Auslösen des Formgedächtniseffekts verschließbaren Öffnung mit einem durch die Öffnung verlaufenden flexiblen Schlauch; Der zuvor für ein Fluid durchgängige Schlauch wird bei rückgestellter Form des FGP verschlossen.
6 die thermisch schaltbare Entriegelung bzw. Freigabe einer zuvor mittels thermo-mechanischer Programmierung (TMP) geschlossenen Öffnung.
7 die schematische Ansicht des Profils einer Durchgangs-Öffnung in FGP-Platten in deren permanenter (Ausgangs-)Form;
8 schematisch die Programmierung eines in permanenter Form mit einer Durchgangsöffnung versehenen FGP-Platte und deren dabei erzielten temporären Verschluss;
9 die Verwendung einer temporär verschlossenen Öffnung als thermisch entriegelndes Steuerelement eines Löschmittel-Ventils;
10 die Kombination eines thermisch entriegelnden Steuerelements mit einem aufsitzenden Stab;
11 die Kombination eines FGP mit einem durch das FGP geführten flexiblen Schlauch, hier zur thermisch schaltbaren Öffnung des Schlauchs;
12 eine Aufeinanderfolge von FGP-Platte/Schlauch-Anordnungen für Formgedächtnispolymere mit unterschiedlicher Rückstelltemperatur;
13 den Einsatz von FGP-Elementen als direkte Initiatoren elektrischer Schaltvorgänge;
14 den Einsatz von FGP-Elementen als indirekte Initiatoren elektrischer Schaltvorgänge.
Insbesondere zeigt 1 die beiden grundlegenden Bauarten handelsüblicher Sprinkler: 1A zeigt einen mit einem hitzeempfindlichen Glasbehältnis 1A in Form einer Tonne blockierte Verschlusskappe 2 eines Sprinklerventils mit einem Sprühteller 3 und einer Justierschraube 4. Das Glasbehältnis 1A ist in Form eines mit Alkohol gefüllten Tönnchens ausgeführt. In Abhängigkeit von seiner Form und der Alkoholkonzentration im Tönnchen kann die Temperatur eingestellt werden, bei welcher das Tönnchen birst und mit dem Bersten eine die Ventilöffnung verschließende Verschlusskappe freigibt. Typische Temperaturstufen der Freigabe der Sprinklerdüse sind 57 °C; 68 °C; 79 °C; 93 °C; 141 °C; 182 °C und 240/260 °C.
Analog dazu zeigt 1B ein mit einem Schmelzlotglied 1B ausgestattetes Sprinklerventil. Die für ein handelsübliches Modell in Abhängigkeit von Geometrie und Lotzusammensetzung eingestellten Temperaturstufen bei denen eine Freigabe der Sprinklerdüse erfolgt liegen im Bereich 93–104 °C; 138–141 °C; 182 °C und 227 °C.
2 stellt eine Prinzipskizze einer Ausführungsform eines Sprinklers gebräuchlicher Form dar, der an Stelle eines den Löschmittelaustritt verhindernden Glastönnchens 1A oder Schmelzlotglieds 1B ein thermosensitives Steuerelement 11 aus Formgedächtnispolymer umfasst. Im Brandfall schrumpft das Steuerelement 11 und nimmt seine Primärform 15 an. Die ist so bemessen, dass die Verschlusskappe 2 unter dem Druck des Löschmittels 12 aus dem Rohrstutzen gedrückt wird. Analog dazu, löst der Formübergang eines FGP-Elements 11, 15, das ein sonst gebräuchliches Schmelzlotglied ersetzt, im Brandfall mit dem Eintreten des temperaturbedingten Formwechsels die sofortige Freisetzung des Löschmittels aus. Im Zustand A₀ des Sprinklers befindet sich der mit dem FGP-Glied 11 ausgestattete Sprinkler im Bereitschaftszustand. Bei Erhitzung des FGP auf eine Temperatur T oberhalb der Übergangstemperatur T_trans, d.h. T > T_trans, nimmt das FGP-Glied 11 fast vollständig seine Ursprungsform ein. Diese Form 15 des FGP-Glieds ist so gewählt, dass die Verschlusskappe 2 nicht mehr gegen die Justierschraube abgestützt wird, der Löschmittelaustritt folglich nicht mehr blockiert wird. Beispielsweise fällt das rückgestellte FGP-Glied 15 im Zustand A₁ des Sprinklers einfach aus der Halterung zwischen Kappe und Sprühteller 3, bzw. Feststellschraube 4 und das Löschmittel kann austreten. Dabei ist die Form des Steuerelements so gewählt, dass es der jeweiligen Einbausituation des Sprinklers angepasst ist. Zusätzlich kann die Oberfläche des Steuerelements gefurcht, gerieft oder anderweitig vergrößert sein, um die Ansprechzeit zu verkürzen.
Hier und in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann man sich – je nach den konkreten Anforderungen der gegebenen Einbausituation des thermosensitiven Steuerelements – mehrerer Prinzipien zur Steuerung des Rückstellverhaltens der vorgeschlagenen Formgedächtnispolymere und deren Kombination bedienen.
Gemäß einem ersten Prinzip, kann die chemische Struktur, bzw. die stoffliche Zusammensetzung des FGP verwendet werden, einen bestimmten Schaltbereich einzustellen.
Dem Fachmann sind verschiedene FGP mit unterschiedlichen, für einen einstellbaren Formübergang nutzbaren Temperaturbereichen bekannt. Dabei hat sowohl die Netzwerkstruktur als solche (einschließlich der Molekulargewichtsverteilungen der Schaltsegmente und Netzpunkte sowie deren Polarität) einen signifikanten Einfluss als auch die Phasenmorphologie in segregierten Systemen (das Verhältnis von Hart- zu Weichsegmenten, die Ausbildung von multiplen Phasensystemen und die Kristallinität der Phasen). All diese Parameter wirken sich auf die Dichte, die Gesamtkristallinität des Materials (Polymerhärte), das Diffusionsverhalten und die mechanischen (elastischen/viskoelastischen Eigenschaften) der Polymere aus. In Hinblick auf die Rückstellrate kann eine Modifikation im Sinne einer Erhöhung auch durch den Einsatz von Hilfsstoffen wie thermisch leitenden Füllmaterialien erzielt werden.
Gemäß einem weiteren Prinzip kann unter Anwendung des 2. Fick‘schen Gesetzes die Wärmeleitung in der FGP-Matrix besonders berücksichtigt werden, indem die Größe der Kontaktfläche zur Umgebung anwendungsspezifisch eingestellt wird. Insbesondere können Rippen oder Furchen ein schnelleres Ansprechen auf einen Temperaturanstieg und damit ein rascheres Ansprechen des thermosensitiven Steuerelements bewirken. Somit kann das gemäß 2 vorgeschlagene thermosensitive Steuerelement beispielsweise sternförmig sein. Ebenso kann das Steuerelement zumindest abschnittsweise einen Querschnitt mit einer zerklüfteten Kontur und/oder eine zerklüftete Oberfläche aufweisen, sodass der Wärmeaustausch mit der Umgebung erleichtert wird. Ebenso kann ein Querschnitt oder eine Dicke des FGP-Steuerelements sowohl in der permanenten als auch in der programmierten Form über die Länge oder die Gesamtfläche variieren. Beispiele für diese vorteilhaft in der permanenten Form einstellbaren Variationen sind Rillen, Nuten oder Einkerbungen, die im Ergebnis des Programmiervorgangs in Abhängigkeit vom verwendeten Werkzeug zu Aufwölbungen oder Einschnürungen im erhaltenen einsatzbereiten Steuerelement führen. Weitere Rillen, Nuten, Kerben oder anderweitige Verformungen können zusätzlich auch während des Programmiervorganges mit einem angepassten Werkzeug in der temporären Form des FGP-Steuerelements ausgebildet werden. Durch die beim Auslösen des Formgedächtniseffektes abschnittsweise verschieden schnelle oder geometrisch variable Formänderung, lassen sich an die jeweilige Anwendung angepasste Rückstellraten realisieren.
Gemäß einzelner Ausführungsformen kann der für die unterschiedlichen Anwendungen im Brandschutz vorgesehene FGP-Artikel zumindest abschnittsweise eine oder mehrere, in einer Längsrichtung oder in einer Querrichtung hintereinander liegende Ausstülpungen aufweisen, die durch Einstülpungen, Gräben oder Furchen voneinander getrennt sind. Ebenso kann die Oberfläche des thermosensitiven Steuerelements gerieft oder gefurcht sein. Vorteile dieser Ausführungsformen bestehen im verkürzten Schaltverhalten auf Grund eines schnelleren Temperaturausgleichs der Polymermatrix mit der Umgebungstemperatur.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der mittels Rippen, Graten, Riefen, Nuten und/oder Furchen erreichbaren mechanischen Versteifung des FGP-Steuerelements.
3 zeigt das Grundprinzip der thermisch schaltbaren Verriegelung bei Ausstattung eines FGP-Artikels mit einem während der thermo-mechanischen Programmierung (TMP) erzeugten Durchbruch. Somit wird ein Ausführungsbeispiel für einen intelligenten Verriegelungsinitiator gezeigt. Die Größe und Form dieses Durchbruchs lässt sich bei einem gegebenen Formgedächtnispolymer durch das verwendete Werkzeug, beispielsweise einen Prägestempel, den aufgebrachten Druck und die zur Verformung gewählte Temperatur reproduzierbar einstellen. Die so erzeugte Öffnung im FGP-Artikel in dessen programmiertem Zustand verschließt sich mit der Auslösung des Formgedächtniseffekts bei Erhitzung des FGP auf eine Temperatur T oberhalb der Übergangstemperatur T_trans, d.h. T > T_trans.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform wird eine FGP-Platte einer Stärke im Bereich von, beispielsweise, 0,1 bis 50 mm so thermo-mechanisch programmiert, dass es zur Ausbildung von mindestens einem Loch kommt, dessen Durchmesser im Bereich von, beispielsweise, 0,1 bis 20 mm liegt, wobei diese Form dann bei Raumtemperatur stabil ist.
Sobald die Schaltemperatur T_trans des FGP überschritten wird, kommt es zur Formrückstellung und dem Verschluss des Loches. Ebenso kann eine Vielzahl zueinander benachbarter derartiger Durchbrüche (Löcher) realisiert werden. Für die hier beschriebenen praktischen Anwendungen im Brandschutz sind besonders Formgedächtnispolymere mit typischen Schalttemperaturen im Bereich von T_trans = 85 bis 165 °C attraktiv. Der Einbau derart programmierter Polymerplatten bzw. Folien, die z.B. eine Fensterfront nach außen abdecken, stellt in Aussicht, dass im Brandfall keine Sauerstoffzufuhr von außen mehr möglich ist, so dass das gesonderte Schließen der Fenster nicht mehr erforderlich ist.
4 zeigt unterschiedlich geformte Profile von Öffnungen einer FGP-Platte nach thermomechanischer Programmierung, d.h. mögliche Ausführungsformen intelligenter Verriegelungsinitiatoren. Diese mittels Eindruck (Engl. – indent) eines entsprechenden Prägestempels, beispielsweise eines Edelstahl-Stempels erzeugten Öffnungen können für die beschriebenen Verriegelungszwecke eingesetzt werden. 3A entspricht einer runden Form; 3B einer ellipsoidalen Form; 3C einer pyramidalen Form; 3D einer symmetrisch spitzen Form; 3E einer asymmetrisch spitzen Form und 3F einer Zylinderform des eingesetzten Prägewerkzeugs.
In diesem Zusammenhang wird unter Verrieglung – hier mit besonderem Bezug zu Brandschutzanwendungen – das Verhindern eines Übertritts von Stoffen, beispielsweise von Fluiden von einem Kompartiment in ein benachbartes oder sonst fluidisch kommunizierendes Kompartiment verstanden. Derartige Fluide können beispielsweise sowohl Rauchgase, als auch flüssige Medien, beispielsweise brennbare Flüssigkeiten oder Gase sein.
Ein Verriegelungsinitiator (smarter Verriegelungsinitiator) ist demnach im hier behandelten Zusammenhang ein Bauteil, das aus FGP, vorzugsweise aus PMMA, besteht und das in temporär fixierter Form auf dem Gebiet des Brandschutzes einsetzbar ist. Das Formgedächtnispolymer ist thermo-responsiv, so dass eine Formänderung abgerufen wird, sobald die Schaltemperatur des Polymers überschritten ist. Diese Formänderung verhindert dann z.B. den Übergang von Stoffen von einem Raum in den nächsten.
5 zeigt beispielhaft und schematisch das thermisch schaltbare Verschließen eines flexiblen Schlauchs E bei Kombination einer mit dem Eintreten des Formgedächtniseffekts verschließbaren Öffnung in einem Formgedächtnispolymer – hier als schraffierte Fläche dargestellt – und einem durch diese Öffnung im Formgedächtnispolymer geführten elastischen Schlauch E. Somit ist ein grundsätzliches Wirkprinzip eines Verriegelungsinitiators skizziert: Der zuvor für ein Fluid durchgängige Schlauch E wird bei rückgestellter Form des FGP verschlossen. Bei geeigneter Anordnung der beschriebenen Elemente kann eine Medienzufuhr im Brandfall unterbrochen werden. Beispielsweise kann die Zufuhr eines brennbaren Gases (z.B. Stadtgas) oder eines brennbaren Fluids (z.B. Kraftstoff) unterbunden werden.
6 zeigt die thermisch schaltbare Entriegelung bzw. Freigabe einer zuvor mittels thermo-mechanischer Programmierung (TMP) verschlossenen Öffnung und damit das Grundprinzip der vorgeschlagenen intelligenten Entriegelung. Beispielsweise können in ein Formgedächtnispolymer in dessen ursprünglicher, d.h. permanenter Form mittels spanabhebender Verfahren oder mittels Laserablation Durchbrüche oder Öffnungen einer gewünschten Größe oder eines gewünschten Profils eingebracht werden. Die eingebrachte Öffnung wird dann mittels thermo-mechanischer Programmierung verschlossen und öffnet sich erst wieder beim Auslösen des Formgedächtniseffekts, d.h. bei einer Erhitzung auf eine Temperatur T, die oberhalb der Übergangstemperatur des FGP T_trans liegt.
In diesem Zusammenhang wird unter Entriegelung – hier mit besonderem Bezug zu Brandschutzanwendungen – das Zulassen eines Übertritts von Stoffen, beispielsweise von Fluiden von einem Kompartiment in ein benachbartes oder mit dem Entriegeln fluidisch kommunizierendes Kompartiment verstanden. Derartige Fluide können beispielsweise Löschmittel, Inertgase, Schäume oder andere Löschmittel sein.
Ein Entriegelungsinitiator (smarter Entriegelungsinitiator) ist demnach im hier behandelten Zusammenhang ein Bauteil, das aus Formgedächtnispolymer (vorzugsweise PMMA) besteht, und das in temporär fixierter Form auf dem Gebiet des Brandschutzes einsetzbar ist. Das Formgedächtnispolymer ist thermo-responsiv, so dass eine Formänderung abgerufen wird, sobald die Schaltemperatur des Polymers überschritten ist. Diese Formänderung ermöglicht dann z.B. die Freigabe von Stoffen von einem Raum in den nächsten, beispielsweise den Austritt von Wasser aus einem Sprinkler bzw. aus einer Sprinkleranlage.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform wird eine FGP-Platte, beispielsweise, einer Stärke von 0,1 bis 50 mm so mit einem CO₂-Laser zurechtgeschnitten, dass sie in der permanenten Form mindestens ein Loch aufweist, dessen Durchmesser im Bereich von, beispielsweise, 0,1 bis 20 mm liegt. Diese Platte wird dann thermo-mechanisch so programmiert, dass das Loch in der temporär fixierten, bei 23 °C stabilen Form, d.h. unter den möglichen Einsatzbedingungen, verschlossen ist. In diesem Zustand wird der Entriegelungsinitiator in eine Sprinkleranlage eingebaut. Die Montage von programmierten Polymeren zum Verschluss von Löschmittelaustrittsvorrichtungen kann beispielsweise mittels einer Verschlusskappe erfolgen, die das Polymer nach Art einer Dichtungsscheibe durch Anziehen eines Schraubgewindes gegen die Löschmittelaustrittsvorrichtung drückt.
Durch das Auslösen des Formgedächtniseffektes kommt es direkt zur Freigabe des Lochs und der Freisetzung von Löschmitteln, die im Falle von Wasser mit einem Druck von 0,5 bis 5,0 bar durch das Loch strömen. Das System ist dabei derart smart, dass die sich auftuende Lochgröße von dem Wärmeeintrag in das FGP abhängt. Als gängige Löschmittel in Brandschutzanlagen werden Wasser, Sauerstoff verdrängende Inertgase, Löschpulver und Löschschaum verwendet.
7 zeigt die schematische Ansicht des Profils einer Durchgangs-Öffnung in FGP-Platten in deren permanenter (Ausgangs-)Form und damit beispielhafte, zum Aufbau von intelligenten Entriegelungsinitiatoren geeignete Formen.
8 zeigt schematisch die Bewegung eines beim Verschluss mittels thermomechanischer Programmierung eingesetzten Werkzeugs. Die in der permanenten Form des FGP vorhandene Durchgangsöffnung wird durch eine Aufwölbung des Materials während des thermomechanischen Programmierens verschlossen. Die Programmierung erfolgt bei T>T_trans durch Verformung mit einer Auflast. Dabei wird, beispielsweise, ein Hohlzylinder als Programmierungswerkzeug verwendet, der in die Randbereiche zu den laserablierten Regionen gedrückt wird. Der Hohlzylinder kann beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sein. Auch können mehrere derartige Zylinder zugleich zum Verschließen mehrere Löcher eingesetzt werden. Dabei wird das Polymer in Teilen in die zuvor erzeugten Ausnehmungen gezwungen. Das im erwärmten Zustand plastisch verformbare und teilweise fließfähige Material verschließt somit die im permanenten Zustand erzeugten Öffnungen. Ein anschließendes Abkühlen des FGP auf eine Temperatur T, die unterhalb der Formfixierungstemperatur T_fix des FGP liegt, also auf T < T_fix, unter Aufrechterhaltung des Kontaktes der Polymeroberfläche mit dem Programmierungswerkzeug führt zur Fixierung der Polymermasse in der aufgezwungenen Form. Somit ist eine zuvor gefertigte Düse, ein Düsenraster bzw. ein Loch nun verschlossen.
9 zeigt die Verwendung einer temporär verschlossenen Öffnung als thermisch entriegelndes Steuerelement, bzw. als intelligenten Entriegelungsinitiator eines Löschmittel-Ventils. Insbesondere ist in 9A eine den Entriegelungsinitiator 10, umfassend ein thermo-mechanisch programmiertes Formgedächtnispolymer 11, darstellende Dichtungsscheibe 10 gezeigt, die im programmierten Zustand verschlossen ist. Der Verschluss kann ein mit einer Verschlusskappe 13 versehener Rohrstutzen 14 mit Gewinde sein. Wird dieses bei Raumtemperatur funktional eine Dichtungsscheibe darstellende Element zum Verschluss einer Löschmittelleitung eingesetzt, so wie beispielhaft in 9B gezeigt, so wird der Austritt des Löschmittels 12 bei Raumtemperatur zuverlässig verhindert. Dazu wird der Entriegelungsinitiator so angeordnet, dass die Seite mit dem programmierten Loch nach Außen zeigt, wohingegen die beispielsweise laserablierte Seite in Richtung des Löschmittelanschlusses 14 weist. Auch der umgekehrte Einbau ist möglich. Der Einbau des Steuerelementes mit der eine Oberflächenstrukturierung aufweisenden Seite nach außen- oder die Strukturierung der äußeren Seite des Steuerelementes mit Rippen, Riefen, Nuten, Graten, Furchen oder Noppen kann vorteilhaft für ein beschleunigtes Ansprechverhalten des Steuerelementes sein. Die geeignete Dimensionierung der Vorrichtung stellt sicher, dass die in dem programmierten Zustand eingesetzten Polymere nach dem Auslösen des Formgedächtniseffektes die Freisetzung der geforderten Mindestwassermengen in den Druckbereichen 0,5 bis 5,0 bar sicherstellen. Dieser Schaltzustand nach Auslösen des Formgedächtniseffekts ist in 9C gezeigt.
10 zeigt die Kombination eines thermisch entriegelnden Steuerelements mit einem aufsitzenden Stab. Beispielsweise wird eine FGP-Platte (Dicke: 0,1 bis 50 mm) so mit einem CO₂-Laser zurechtgeschnitten, dass sie in der permanenten Form mindestens ein Loch aufweist. Dieses wird dann thermo-mechanisch so programmiert, dass das Loch in der temporär fixierten, bei 23 °C stabilen Form, d.h. unter möglichen Einsatzbedingungen, verschlossen ist. Ein beispielhaft ausgewählter, zylinderförmiger Stift 18 oder Metallstab 18 wird als weiterer Bestandteil des Entriegelungssystems direkt mit einem Ende auf der Position des verschlossenen Lochs platziert. Durch das Auslösen des Formgedächtniseffektes kommt es direkt zur Freigabe des Lochs. In der Folge gleitet der Metallzylinder 18 durch eben diese Öffnung. Demnach kommt es zur Initiierung eines Bewegungsablaufs von einem Gegenstand, der in direktem Kontakt mit dem Polymer steht.
11 illustriert eine Ausführungsform eines intelligenten Entriegelungsinitiators durch die beispielhafte Kombination eines FGP mit einem durch das FGP geführten flexiblen Schlauch E, hier zur thermisch schaltbaren Öffnung des durch das FGP geführten Schlauchs. Im Unterschied zu dem in 6 gezeigten Szenario, wird in der permanenten Form des FGP ein Polymerschlauch (z. B. Teflon), dessen Durchmesser (0,1 bis 20 mm) dem des Loches in der FGP-Platte entspricht, durch die FGP-Platte – hier schraffiert dargestellt – gelegt. Die Programmierung verschließt dann das Loch und drückt den Schlauch so weit zusammen, dass kein Stofftransport möglich ist. Das Auslösen des Formgedächtniseffektes gibt dann den Stoffaustausch wieder frei.
12 zeigt eine sequentielle Anordnung von FGP-Platte/Schlauch-Kombinationen für zwei programmierte Formgedächtnispolymere mit unterschiedlicher Rückstelltemperatur. Die Rückstelltemperatur des ersten Formgedächtnispolymers FGP1 ist geringer, als jene des zweiten Formgedächtnispolymers FGP2. Vorausgesetzt, die Schalttemperaturen T_trans1 und T_trans2 liegen hier weit genug voneinander entfernt. Typischerweise liegt T_trans2 mindestens 10 °C über T_trans1, insbesondere 20 °C über T_trans1, insbesondere 25 °C über T_trans1. Ebenso kann ein und dasselbe Formgedächtnispolymer für die Fertigung der beiden, bei unterschiedlicher Temperatur ansprechenden, Steuerelementen verwendet werden, wenn deren Programmierung bei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen wird. Beispielsweise deckt die Glasübergangstemperatur des PMMA vorteilhafterweise einen Temperaturbereich von 100 bis 120 °C vollständig ab. Somit kann ein erstes Steuerelement bei einer Temperatur von 100 °C programmiert werden und das zweite, mit dem ersten kombinierte Steuerelement wird bei 120 °C plastisch verformt und fixiert (thermo-mechanisch programmiert). Derartige Systeme können strömungstechnisch nacheinander angeordnet, quasi "in Reihe" geschaltet werden und so beispielsweise erst eine Stoffzufuhr durch Entriegelung und dann die Unterbindung der Stoffzufuhr an einer anderen Stelle durch Verriegelung des flexiblen Schlauchs E bewirken.
Dabei liegt das links oben im Schema der 12 dargestellte FGP mit einer im programmierten Zustand verschlossenen Öffnung und somit undurchlässig gemachtem Schlauch E vor. Nach dem Erreichen der Schalttemperatur T_trans1 gemäß dem mittleren Schema der 12 oben wird der Schlauch von der sich rückstellenden Öffnung freigegeben und somit stoffdurchlässig. Das zweite FGP weist lediglich im programmierten Zustand eine durchgehende Öffnung für den durchgeführten Schlauch auf (vgl. Schemata links und in der Mitte unten). Mit dem Erreichen der Schalttemperatur T_trans2 gemäß dem rechten unteren Schema wird der Schlauch E abgequetscht und somit stoffundurchlässig gemacht. Es sei darauf verwiesen, dass beide FGP demselben Material, z. B. PMMA, entsprechen können, das sich wegen des Temperatur-Memory-Effektes an die während der Programmierung vorgegebene Deformationstemperatur erinnern kann. Somit sind bei gleicher Polymerformulierung, d. h. bei Vorliegen eines breiten Temperaturbereichs für den Glasübergang, Schalttemperaturen, die mindestens 10K, beispielsweise 20 K, insbesondere 25K voneinander entfernt sind, möglich.
Darüber hinaus können weitere Programmierungsansätze verfolgt werden. Beispielsweise können Programmierwerkzeuge wie Schablonen aus Edelstahl, die mit entsprechenden Kugeln auffüllbar sind, so bestückt sein, dass sich darin verschieden große Stahlkugeln befinden, die während der Programmierung in die FGP-Oberfläche zwecks Lochbildung gedrückt werden.
13 veranschaulicht den Einsatz von FGP-Elementen als direkte Initiatoren elektrischer Schaltvorgänge, insbesondere bei der elektronischen Branddetektion: Über eine festgelegte Schalttemperatur und die Formänderung wird ein Schaltkreis entweder geschlossen oder unterbrochen. Diese temperaturabhängige Änderung kann als Steuergröße (Signal) in einer Brandmeldeanlage oder auch für eine natürliche oder maschinelle Entrauchungsanlage genutzt werden. Das Polymer P ist so programmiert, dass der Schaltvorgang bei Erreichen einer als kritisch definierten Schalttemperatur (verursacht durch ein Schadenfeuer) erfolgt. 13A zeigt einen an einer Gleichstromspannungsquelle dc oder Wechselstromspannungsquelle ac angeschlossenen Schaltkreis mit einem Schalter S und einem Anzeigeinstrument I bzw. einer Regelgröße I. Gezeigt ist ein direkter Schaltvorgang: Ein elektroaktives Polymer P mit Formgedächtnis ist programmiert und schließt (13A) oder öffnet (13B) direkt den Schaltkreis durch seine Formänderung und unterbricht die von der Spannungsquelle ac/dc zugeführte Spannung. Diese Schaltvorgänge können auch reversibel sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, den Rauch- und Wärmeabzug bei einer vorgegebenen Schalttemperatur eines FGPs direkt auszulösen. Ebenso können Ventilatoren an oder abgestellt werden. Der elektrische Auslösevorgang, beispielsweise eines CO₂-Löscher (Kohlendioxidlöschers) wird durch die direkte Schaltung, d. h. ohne den Umweg über eine Brandmeldeanlage, initiiert. Als mechanische Schaltmöglichkeit wird durch die Formänderung des Polymers z. B. ein Ventil freigegeben, das dann die bereits bekannten Öffnungsmechanismen in Gang setzt. Vorteile dieser, wie auch der folgenden Ausführungsform ergeben sich daraus, dass Kohlendioxid das einzige Löschmittel ist, das völlig rückstandslos löscht. Daher können Kohlendioxidlöscher auch bei empfindlichen technischen Geräten eingesetzt werden.
14 zeigt den Einsatz von FGP-Elementen als indirekte Initiatoren elektrischer Schaltvorgänge. In 14A ist dementsprechend das FGP P in programmiertem Zustand gezeigt, wobei es einen Schalter offen hält. In 14B ist das Formgedächtnispolymer P auf seine Primärform zurückgestellt, wobei es den Schalter schließt. Dementsprechend wird thermisch getriggert ein elektro-mechanischer Schalter betätigt. Bei geeigneter Wahl des Polymers P, das ein Formgedächtnispolymer umfasst, das mittels Zusätzen elektrisch leitfähig gemacht ist, kann der Schaltvorgang nach Wiederherstellen der Normaltemperatur beliebig oft wiederholt werden. Ist der Brand also gelöscht, so wird der Stromkreis erneut geschlossen / oder eben geöffnet; die Löschmittelzufuhr wird abgebrochen bzw. unterbrochen, Ventile, Regulationsklappen für Raumklimaanlagen werden erneut geschlossen / oder eben geöffnet und die Brandschutzanlage ist erneut einsatzbereit.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform wurde für ein Steuerelement aus Polyester urethan eine Ausdehnung um 6 % im Vergleich zum Ausgangszustand nachgewiesen, wenn das Material von 23 °C (Raumtemperatur) auf 60 °C erhitzt wurde.
Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen von Steuerelementen bestehen in der Bereitstellung einfacher und zuverlässiger, eine Sensorfunktion erfüllender FGP-Aktoren. Die Verwendung von Formgedächtnispolymeren zu deren Herstellung erschließt die besonderen Eigenschaften dieser Materialien, insbesondere das Temperaturansprechverhalten von FGP-Artikeln in ihrer programmierten Form. Eine typische Besonderheit der vorgeschlagenen Steuerelemente besteht im Temperatur-ausgelösten Rückstellvermögen der Steuerelemente.
Gleichzeitig werden, beispielsweise für die spezielle Anwendung in Sprinkleranlagen die gravierenden Nachteile der sonst in Sprinklern eingesetzten Auslöseglieder, insbesondere der Glasfass-Sensoren vermieden. Ein besonderer Vorteil ist, dass beispielsweise keine Verletzungsgefahr für Fachkräfte während der Montage und Wartung besteht, wenn es zum Bersten von Glasfässchen durch mechanische Einwirkung (Herunterfallen, etc.) kommt. Deshalb ist das Polymer auch verhältnismäßig unempfindlich im Vergleich zu den Glasfässchen gegenüber Transportschäden und Beschädigungen im montierten Endzustand.
Somit ist das vorgeschlagene als Sensor und Aktor wirkende Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer, dadurch gekennzeichnet, dass es beispielsweise in einem ersten erfassten Temperaturbereich – der einem ersten Zustand des Formgedächtnispolymers entspricht – eine Öffnung oder eine fluidische Verbindung sperrt (oder offen hält) und in einem zweiten erfassten Temperaturbereich – der einem zweiten Zustand des Formgedächtnispolymers entspricht – die besagte Öffnung oder fluidische Verbindung entsperrt (oder schließt). Ebenso kann das Steuerelement so angepasst sein, dass es im besagten ersten erfassten Temperaturbereich einen elektrischen Schaltkontakt offen hält und im besagten zweiten erfassten Temperaturbereich den elektrischen Schaltkontakt geschlossen hält, bzw. umgekehrt. Insgesamt wechselt das wärmesensitive Steuerelement also einen Steuerzustand in Abhängigkeit von zumindest einer sensorisch erfassten Temperatur, die einer Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers entspricht, wobei diese Schalttemperatur T_trans zwei zueinander benachbarte Temperaturbereiche voneinander abgrenzt. Besondere Vorteile ergeben sich aus der Vielzahl möglicher Anwendungen und einem äußerst geringen Wartungsaufwand.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
Bezugszeichenliste

1A: Glastönnchen
1B: Schmelzlotglied
2: Verschlusskappe
3: Sprühteller
4: Justierschraube
10: Dichtungsscheibe mit Steuerelement
11: Formgedächtnispolymer / Steuerelement in programmiertem Zustand
12: Fluid, Löschmittel
13: Verschlusskappe
14: Rohrstutzen mit Gewinde
15: FGP-Element nach Rückstellung (Auslösen des Formgedächtnis-Effekts)
18: Stift
A: Glasfass-Sprinkler
A₀, A₁, A₂: Aktivierungszustände eines FGP-Sprinklers
A₀: Sprinkler einsatzbereit, Löschmittelaustritt blockiert
A₁: Sprinkler aktiviert, FGP-Steuerelement rückgestellt
A₂: bestimmungsgemäßer Löschmittelaustritt, z.B. Wasserwurf
ac/dc: Stromquelle
B: Schmelzlot-Sprinkler
E: elastischer Schlauchabschnitt
FGP: Formgedächtnispolymer
FGP1: Formgedächtnispolymer 1
FGP2: Formgedächtnispolymer 2, das sich von FGP1 chemisch und/oder physikochemisch unterscheidet
I: Indikatorinstrument
P: Polymer, FGP
S: Schalter
T_trans: Übergangstemperatur, Schalttemperatur
T_trans1: Übergangstemperatur des FGP1 oder des auf erste Art programmierten FGP
T_trans2: Übergangstemperatur des FGP2 oder des anders programmierten FGP
TMP: thermo-mechanische Programmierung

Claims

Wärmesensitives Steuerelement, umfassend ein Formgedächtnispolymer, zum Steuern einer über eine Versorgungsleitung erfolgenden Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement als Sensor und Aktor wirkt und mit dem Erfassen einer Temperatur, die einer Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers entspricht, einen Steuerzustand ändert.
Steuerelement nach Anspruch 1, wobei die Versorgung ausgewählt ist unter einer Versorgung mit Frischluft, einer Versorgung mit einem Fluid oder einer Versorgung mit einer elektrischen Spannung.
Steuerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schalttemperatur T_trans einem Wechsel des Formgedächtnispolymers von einem temporären Zustand in einen Ausgangszustand entspricht.
Steuerelement nach Anspruch 3, wobei der temporäre Zustand durch eine thermo-mechanische Programmierung eingestellt ist.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuerelement im temporären Zustand des Formgedächtnispolymers die Versorgungsleitung geschlossen und im Ausgangszustand des Formgedächtnispolymers die Versorgungsleitung offen hält oder umgekehrt.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine äußere Oberfläche des Steuerelements eine Struktur aufweist, ausgewählt unter zumindest einer Rippe, einem Grat, einer Riefe, einer Rille und/oder einer Furche.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuerelement integraler Bestandteil der Versorgungsleitung ist.
Steuerelement nach Anspruch 7, wobei das Steuerelement Bestandteil einer Rohrleitung für ein Fluid oder Bestandteil eines elektrischen Schaltkreises ist.
Steuerelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Fluid zumindest ein Löschmittel umfasst, ausgewählt unter: Wasser, einem Schaum, einem Inertgas, einem Pulver.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuerelement Bestandteil einer Brandmeldeanlage, einer Brandlöschanlage, einer Lüftungsanlage, einer Notöffnungsanlage oder eine Rauchabzugsvorrichtung ist.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erfassen einer Temperatur, das Erfassen einer durch einen Brand verursachten Erhitzung umfasst und das Steuerelement Bestandteil einer Brandschutzvorrichtung ist.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnispolymer Polymethylmethacrylat ist.
Steuerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnispolymer ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend: lineare Block-Copolymere, insbesondere Polyurethane und Polyurethane mit ionischen oder mesogenen Komponenten, Block-Copolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid, Block-Copolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien), ABA Triblock-Copolymere aus Poly-(2-methyl-2-oxazolin) (A-Block) und Polytetrahydrofuran (B-Block), Multiblock-Copolymere aus Polyurethanen mit Poly(ε-caprolacton)-Schaltsegment, Block-Copolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid, Blockcopolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien), Polyurethansysteme, deren Hartsegment-bildende Phase aus Methylendiphenyldiisocyanat, bzw. MDI oder Toluol-2,4-diisocyanat, bzw. TDI und einem Diol, insbesondere 1,4-Butandiol, oder einem Diamin und einem Schaltsegment auf der Basis eines Oligoethers, insbesondere Polytetrahydrofuran oder eines Oligoesters, insbesondere Polyethylenadipat, Polypropylenadipat, Polybutylenadipat, Polypentylenadipat oder Polyhexalenadipat besteht, Materialien mit einer Hartsegment-bildenden Phase aus TDI, MDI, Diisocyanaten, die insbesondere aus MDI oder Hexamethylendiisocyanat in Carbodiimid-modifizierter Form und aus Kettenverlängerern, insbesondere Ethylenglycol, Bis(2-hydroxyethyl)-hydrochinon oder einer Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Ethylenoxid aufgebaut sind, deren Schaltsegment-bestimmende Blöcke aus Oligoethern, insbesondere aus Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Polytetrahydrofuran oder aus einer Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Propylenoxid, oder aus Oligoestern, insbesondere Polybulylenadipat, bestehen, Materialien aus Polynorbornen, Graft-Copolymere aus Polyethylen/Nylon-6, Block-Copolymere mit polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen, bzw. POSS, einschließlich den Kombinationen Polyurethan/POSS, Epoxid/POSS, Polysiloxan/POSS, Polymethylmethacrylat/POSS, silikonbasierte Formgedächtnispolymere und Materialien aus Poly(cycloocten), polyadipat-basierte Poly(ester urethane), Polyvinylchlorid, Polyethylen-Polyvinylazetat-Copolymere, kovalent vernetzte Copolymersysteme aus Stearylacrylat und Ester der Methacrylsäure, ein Poly(ester urethan), ein chemisch quervernetztes semi-kristallines trans-Polyoctenamer, ein Ethylenoxid-Ethylenterephthalat-Copolymer, ein Poly(ether urethan), Polynorbornen, ein Norbonyl-POSS-Hybrid-Copolymer, ein Copolymer aus Poly(ethylen terephthalat) und Poly(ethylen glycol), ein Polymer aus dem Monomer tert-Butylacrylat und dem Quervernetzer Diethylenglykol diacrylat, ein Copolymer, das aus den Monomeren Methylmethacrylat und Butylmethacrylat aufgebaut und durch Tetraethylen glykol dimethacrylat quervernetzt ist, ein Copolymer, das aus Methylmethacrylat und Poly(ethylen glykol)dimethacrylat aufgebaut ist, eine chemisch quervernetzte Verbindung auf Basis der Monomere Methacrylsäure, Methyl methacrylat und Poly(ethylen glykol), ein Copolymer aus Polyethylen oder isotaktischem Polypropylen und einem Cyclodiolefin, insbesondere Vinylcyclohexen, Cyclopentadien, 1,5-Cyclooctadiene, 2,5-Norbornadien, 5-Vinyl-2-norbornen, Dicyclopentadien oder 5-Ethyliden-2-norbornen, ein quervernetztes Poly(vinyl chlorid), ein quervernetztes Ethylen-vinyl acetat-Copolymer. Multiblockcopolymere basierend auf zwei kristallisierbaren Segmenten, insbesondere Poly(penta decalacton), bzw. PPD und PCL-Blöcken, und Diisocyanaten, insbesondere 1,6-Diisocyanat-2,2,4-trimethylhexan und 1,6-Diisocyanat-2,4,4-trimethylhexan.
Verwendung einer Kombination von zumindest einem ersten und einem zweiten Steuerelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Schalttemperatur T_trans2 des Formgedächtnispolymers des zweiten Steuerelements zumindest um 25 K höher ist als die Schalttemperatur T_trans1 des Formgedächtnispolymers des ersten Steuerelements, wobei das zweite Steuerelement, bezogen auf eine Versorgungsquelle, dem ersten Steuerelement nachgeordnet ist.
Herstellungsverfahren für ein Steuerelement umfassend ein Formgedächtnispolymer, zum Steuern einer über eine Versorgungsleitung erfolgenden Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement als Sensor und Aktor wirkt und mit dem Erfassen einer Temperatur, die einer Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers entspricht, einen Steuerzustand ändert, umfassend: – Bereitstellen eines Formgedächtnispolymers; – Temperieren des Formgedächtnispolymers auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers; – Beaufschlagen des Formgedächtnispolymers mit einer Verformungskraft; – Abkühlen des Formgedächtnispolymers auf eine Temperatur unterhalb der Schalttemperatur T_trans des Formgedächtnispolymers unter Beibehaltung einer unter Einwirkung der Verformungskraft aufgezwungenen Form.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Verformungskraft entweder eine zuvor bei einer Temperatur unterhalb der Schalttemperatur T _trans des Formgedächtnispolymers in das Formgedächtnispolymer eingebrachte Öffnung verschließt oder eine zuvor durchgehende Schicht des Formgedächtnispolymers zumindest teilweise durchbricht, sodass eine Öffnung geformt wird.