DE102021131438A1 - Functional element with a plurality of actuators made of two-way shape memory polymers - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Funktionselement mit einem ersten Aktuator aus einem ersten Zweiwege-Formgedächtnispolymer und wenigstens einem zweiten Aktuator aus einem zweiten Zweiwege-Formgedächtnispolymer vorgeschlagen, welche derart programmiert sind, dass der erste und zweite Aktuator zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form reversibel hin und her schaltbar sind, wobei das erste und zweite Zweiwege-Formgedächtnispolymer des ersten und zweiten Aktuators eine erste Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner zweiten Form in seine erste Form überführt wird, und eine von seiner ersten Schalttemperatur verschiedene, zweite Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner ersten Form in seine zweite Form überführt wird, aufweist. Das erste und/oder zweite Zweiwege-Formgedächtnispolymer des ersten und/oder zweiten Aktuators ist mit einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden oder reflektierenden Medium versehen, um im Falle einer Exposition des Zweiwege-Formgedächtnispolymers mit elektromagnetischer Strahlung für eine beschleunigte oder verlangsamte Erwärmung zu sorgen, wobei das Funktionselement insbesondere eine Mehrzahl an solchen Aktuatoren umfassen kann.A functional element with a first actuator made of a first two-way shape memory polymer and at least one second actuator made of a second two-way shape memory polymer is proposed, which are programmed in such a way that the first and second actuators reversibly move back and forth between a first shape and a second shape are switchable, the first and second two-way shape memory polymer of the first and second actuator having a first switching temperature at which it is converted from its second shape into its first shape, and a second switching temperature different from its first switching temperature at which it changes from its first form is converted into its second form. The first and/or second two-way shape memory polymer of the first and/or second actuator is provided with an electromagnetic radiation absorbing or reflecting medium in order to ensure accelerated or decelerated heating in the event of exposure of the two-way shape memory polymer to electromagnetic radiation, the Functional element can include in particular a plurality of such actuators.
Description
Die Erfindung betrifft ein Funktionselement mit wenigstens einem ersten Aktuator, welcher wenigstens ein erstes Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder im Wesentlichen gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass der erste Aktuator zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigstens eine erste Zweiwege-Formgedächtnispolymer des ersten Aktuators zumindest
- - eine erste Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner zweiten Form in seine erste Form überführt wird, und
- - eine von seiner ersten Schalttemperatur verschiedene, zweite Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner ersten Form in seine zweite Form überführt wird, aufweist.
- - a first switching temperature at which it is transformed from its second form to its first form, and
- - A different from its first switching temperature, second switching temperature at which it is transferred from its first form into its second form.
Bei Formgedächtnispolymeren handelt es sich um Polymere, welche üblicherweise aus wenigstens zwei Polymerkomponenten oder insbesondere aus einer Polymerkomponente mit verschiedenen Segmenten bestehen. Dabei handelt es sich einerseits um „harte“ Segmente, welche auch als Netzpunkte fungieren. Shape memory polymers are polymers which usually consist of at least two polymer components or, in particular, of one polymer component with different segments. On the one hand, these are “hard” segments that also function as network points.
Andererseits handelt es sich um „weiche“ Segmente, welche die Netzpunkte miteinander verbinden und als Schaltsegmente wirken sowie auch als solche bezeichnet werden. Die Schaltsegmente sind bei erhöhten Temperaturen amorph bzw. elastisch, während sie bei niedrigeren Temperaturen starr sind (sie liegen in diesem Fall in teilkristalliner oder verglaster Form vor). Derartige Polymere lassen sich hinsichtlich ihrer Formgebung programmieren, indem sie auf eine Temperatur erwärmt werden, welche wenigstens der sogenannten Schalttemperatur entspricht, bei welcher der Phasenübergang (Glasübergang bzw. Schmelzübergang) der Weich- bzw. Schaltsegmente stattfindet. Bei einer solchen Temperatur kann das Polymer dann unter Einwirkung einer Verformungskraft mechanisch verformt werden, wonach es unter Aufrechterhaltung der Verformung auf seine sogenannte Formfixierungstemperatur abgekühlt werden kann, welche der Kristallisationstemperatur bzw. Glasübergangstemperatur der Weich- oder Schaltsegmente entspricht und im Bereich der Schalttemperatur der Formgedächtnispolymere liegen kann, aber demgegenüber üblicherweise zumindest etwas geringer ist. Die Weich- bzw. Schaltsegmente liegen dann wieder in teilkristalliner bzw. verglaster Form vor, so dass die Formgebung erhalten bleibt. Diese Formgebung ist indes insoweit nur temporär, als wenn ein solchermaßen „programmiertes“, also mechanisch verformtes, Formgedächtnispolymer auf eine bestimmte Temperatur, nämlich auf seine Schalttemperatur, erwärmt wird, die weichen Segmente (Schaltsegmente) wieder in ihre amorphe bzw. flexible Form überführt werden, so dass sie der durch die harte Komponente (Netzpunkte) induzierten entropieelastischen Rückstellkraft nicht mehr entgegenwirken können und das Formgedächtnispolymer wieder seine ursprüngliche Form einnimmt, die mechanische Verformung also „rückgängig“ gemacht wird, ohne dass hierzu eine neuerliche Krafteinwirkung erforderlich wäre. Ferner besteht oft auch die Möglichkeit einer Programmierung durch Kaltverformung, indem die Formgedächtnispolymere bei einer Temperatur unterhalb ihrer Schalttemperatur, z.B. bei Umgebungstemperatur, verformt werden können und gegebenenfalls, sofern die Formfixierungstemperatur demgegenüber geringer ist, auf ihre Formfixierungstemperatur abgekühlt werden. Auch in diesem Fall findet insoweit eine nur temporäre Verformung statt, als bei einer abermaligen Erwärmung zumindest auf die Schalttemperatur, um die weichen Segmente (Schaltsegmente) in die amorphe bzw. flexible Phase zu überführen und dabei die anlässlich der Kaltverformung induzierten mechanischen Spannungen zu relaxieren, eine Rückverformung stattfindet, ohne erneut eine Verformungskraft aufbringen zu müssen.On the other hand, there are "soft" segments that connect the network points with each other and act as switching segments and are also referred to as such. The switching segments are amorphous or elastic at elevated temperatures, while rigid at lower temperatures (they are in semi-crystalline or vitrified form in this case). Such polymers can be programmed in terms of their shape by being heated to a temperature which corresponds at least to the so-called switching temperature at which the phase transition (glass transition or melting transition) of the soft or switching segments takes place. At such a temperature, the polymer can then be mechanically deformed under the action of a deforming force, after which it can be cooled to its so-called shape-fixing temperature while maintaining the deformation, which corresponds to the crystallization temperature or glass transition temperature of the soft or switching segments and is in the range of the switching temperature of the shape memory polymers can, but in contrast is usually at least somewhat lower. The soft or switching segments are then again in a partially crystalline or vitrified form, so that the shape is retained. However, this shaping is only temporary insofar as when a shape memory polymer that is “programmed” in this way, i.e. mechanically deformed, is heated to a certain temperature, namely to its switching temperature, the soft segments (switching segments) are converted back into their amorphous or flexible form , so that they can no longer counteract the entropy-elastic restoring force induced by the hard component (network points) and the shape-memory polymer resumes its original shape, i.e. the mechanical deformation is "reversed" without the need for a new force to be applied. Furthermore, there is often also the possibility of programming by cold deformation, in that the shape memory polymers can be deformed at a temperature below their switching temperature, e.g. at ambient temperature, and optionally, if the shape-fixing temperature is lower than this, can be cooled to their shape-fixing temperature. In this case, too, only temporary deformation takes place insofar as repeated heating at least to the switching temperature in order to convert the soft segments (switching segments) into the amorphous or flexible phase and thereby relax the mechanical stresses induced during the cold deformation, recovery takes place without having to apply a deformation force again.
Neben einem solchen Formgedächtnis weisen thermoresponsive Polymere in der Regel auch ein Temperaturgedächtnis auf. Hierunter wird verstanden, dass bei einem Auslösen des Formgedächtniseffektes die Formrückstellung etwa bei derjenigen Temperatur einsetzt, bei welcher zuvor die mechanische Verformung in das Material eingebracht worden ist. Ein derartiges Materialverhalten weisen beispielsweise Formgedächtnispolymere mit semikristallinen Netzwerkstrukturen auf, wie thermoplastische Polyurethan-Elastomere (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307-46315) .In addition to such a shape memory, thermoresponsive polymers usually also have a temperature memory. This means that when the shape memory effect is triggered, the shape recovery begins at about the temperature at which the mechanical deformation was introduced into the material beforehand. Such material behavior is exhibited, for example, by shape memory polymers with semi-crystalline network structures, such as thermoplastic polyurethane elastomers (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307- 46315) .
Darüber hinaus sind Formgedächtnispolymere bekannt, welche Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweisen und folglich thermoreversibel geschaltet werden können, wobei die Schaltsegmente solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere beim Übergang zwischen ihrem vornehmlich teilkristallinen Zustand und ihrem vornehmlich amorphen bzw. flexiblen Zustand eine Formänderung derart erfahren, dass sie einerseits mittels Abkühlen des Polymers unter die Kristallisationstemperatur, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als „erste Schalttemperatur“ bezeichnet wird, andererseits mittels Erwärmen des Polymers in den Schalttemperaturbereich, welcher im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als „zweite Schalttemperatur“ bezeichnet wird, reversibel zwischen ihrer permanenten Form und ihrer temporären Form hin und her geschaltet werden können, d.h. das entsprechend programmierte Zweiwege-Formgedächtnispolymer verformt sich bei entsprechender Temperaturführung selbsttätig hin und her. Derartige Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind z.B. aus T. Pretsch, M. Bothe: „Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer“, Journal of Materials Chemistry A, 46 (2013), 14.491-14.497, oder aus M. Bothe, T. Pretsch: „Two-way shape changes of a shape-memory poly(ester urethane)“, Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 2378-2385) bekannt.In addition, shape-memory polymers are known which have two-way shape-memory properties and can therefore be switched thermoreversibly, with the switching segments of such two-way shape-memory polymers undergoing a change in shape during the transition between their primarily partially crystalline state and their primarily amorphous or flexible state such that on the one hand they can be changed by cooling of the polymer below the crystallization temperature, which is referred to as the "first switching temperature" in the context of the present disclosure, on the other hand by heating the Polymers in the switching temperature range, which is referred to as the "second switching temperature" in the context of the present disclosure, can be reversibly switched back and forth between its permanent shape and its temporary shape, ie the correspondingly programmed two-way shape memory polymer deforms back and forth automatically with appropriate temperature control here. Such two-way shape memory polymers are, for example, from T. Pretsch, M. Bothe: "Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 46 (2013), 14.491-14.497, or from M. Bothe, T. Pretsch: "Two-way shape changes of a shape-memory poly(ester urethane)", Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 2378-2385).
Die Hin- und Herverformung solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere kann einerseits mehr oder minder rein temperaturinduziert vonstatten gehen, ohne dass hierzu Verformungskräfte aufgebracht werden müssen. Darüber hinaus sind Zweiwege-Formgedächtnispolymere bekannt, welche ihre Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften insbesondere unter Einwirkung einer permanenten mechanischen Vorbelastung, wie infolge eines permanenten Druckes, entfalten, so dass sie unter einer permanenten Spannung stehen, um die Kristallisation der Weichsegmente während der Abkühlung zu begünstigen, wie es beispielsweise aus dem Aufsatz von M. Bothe, T. Pretsch: „Two-Way Shape Changes of a Shape Memory Poly(ester urethane)“ in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385 bekannt ist.The back and forth deformation of such two-way shape memory polymers can, on the one hand, take place more or less purely temperature-induced, without deformation forces having to be applied for this purpose. In addition, two-way shape-memory polymers are known which develop their two-way shape-memory properties in particular under the influence of a permanent mechanical preload, such as as a result of a permanent pressure, so that they are under permanent tension in order to favor the crystallization of the soft segments during cooling, such as it, for example, from the article by M. Bothe, T. Pretsch: "Two-Way Shape Changes of a Shape Memory Poly(ester urethane)" in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385.
Um die Schalttemperatur von Formgedächtnispolymeren - seien es herkömmliche Einweg- oder seien es Zweiwege-Formgedächtnispolymere, wie sie im Rahmen der vorliegenden Offenbarung angesprochen sind - zu modifizieren, ist es ferner bekannt, den Formgedächtnispolymeren Additive in Form von elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medien zuzusetzen, so dass das Formgedächtnispolymer infolge Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung im jeweiligen Frequenzbereich gezielt erwärmen und schnell(er) auf eine seiner Schalttemperaturen zu bringen. So beschreibt beispielsweise die
In jüngerer Zeit hat man darüber hinaus damit begonnen, Zweiwege-Formgedächtnispolymere für Funktionselemente bzw. Aktuatoren einzusetzen, um in Abhängigkeit von den jeweiligen Schalttemperaturen der Zweiwege-Formgedächtnispolymere mechanische Schalt- und/oder Stellvorgänge zu initiieren, welche keine externe Energie erfordern. So beschreibt beispielsweise die
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Funktionselement mit wenigstens einem ersten Aktuator auf der Basis von Zweiwege-Formgedächtnispolymeren der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass ihm zusätzliche Funktionalitäten verliehen werden und auf diese Weise neuartige Anwendungsgebiete erschlossen werden können.The invention is based on the object of further developing a functional element with at least one first actuator based on two-way shape memory polymers of the type mentioned in a simple and cost-effective manner such that additional functionalities are imparted to it and in this way novel areas of application can be opened up.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Funktionselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Funktionselement wenigstens einen zweiten Aktuator aufweist, welcher wenigstens ein zweites Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder im Wesentlichen gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass der zweite Aktuator zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigstens eine zweite Zweiwege-Formgedächtnispolymer des zweiten Aktuators
- - zumindest eine erste Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, und
- - eine von seiner ersten Schalttemperatur verschiedene zweite Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner ersten Form in seine zweite Form überführt wird, aufweist, wobei das erste Zweiwege-Formgedächtnispolymer des ersten Aktuators und/oder das zweite Zweiwege-Formgedächtnispolymer des zweiten Aktuators mit einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden oder reflektierenden Medium versehen ist, um im Falle einer Exposition des Zweiwege-Formgedächtnispolymers mit elektromagnetischer Strahlung für eine beschleunigte oder verlangsamte Erwärmung zu sorgen.
- - at least a first switching temperature at which it is transferred from its second form to the first form, and
- - has a second switching temperature different from its first switching temperature, at which it is converted from its first form into its second form, the first two-way shape memory polymer of the first actuator and/or the second two-way shape memory polymer of the second actuator being exposed to electromagnetic radiation absorbing or reflective medium to provide accelerated or decelerated heating upon exposure of the two-way shape memory polymer to electromagnetic radiation.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht folglich ein Funktionselement mit einer Mehrzahl an Aktuatoren aus Zweiwege-Formgedächtnispolymeren vor, wobei das Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines oder mehrerer Aktuatoren mit einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden oder reflektierenden Medium versehen ist, um im Falle einer Exposition des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des jeweiligen Aktuators mit elektromagnetischer Strahlung für eine beschleunigte oder verlangsamte Erwärmung zu sorgen. Auf diese Weise kann beispielsweise je nach Exposition der Aktuatoren des Funktionselementes mit elektromagnetischer Strahlung entweder eine mehr oder minder synchrone Schaltung aller Aktuatoren des Funktionselementes zwischen den zumindest zwei vorprogrammierten Formen erreicht werden, sofern die Aktuatoren aus denselben Zweiwege-Formgedächtnispolymeren oder zumindest solchen mit praktisch identischen Schalttemperaturen gebildet sind, oder es kann beispielsweise auch eine selektive, beschleunigte und/oder retardierte Schaltung zumindest einiger Aktuatoren des Funktionselementes zwischen den zumindest zwei vorprogrammierten Formen erreicht werden, wenn nur einer oder einige Aktuatoren der elektromagnetischen Strahlung exponiert sind, infolgedessen sie entweder schneller (im Falle eines die elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums) oder langsamer (im Falle eines die elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums) auf eine ihrer Schalttemperaturen gebracht werden, um von ihrer einen in die andere Form geschaltet zu werden. Darüber hinaus ist es bei einem Funktionselement mit einer Vielzahl an solchen Aktuatoren z.B. denkbar, dass das Funktionselement eine Vielzahl an verschiedenen Formen bzw. Zwischenstellungen zwischen der ersten und der zweiten Form eines jeweiligen Aktuators einzunehmen vermag, wenn sich einige Aktuatoren infolge unterschiedlicher Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung in ihrer ersten und andere in ihrer zweiten Form befinden.The configuration according to the invention consequently provides a functional element with a plurality of actuators made of two-way shape memory polymers, the two-way shape memory polymer of at least one or more actuators being provided with a medium absorbing or reflecting electromagnetic radiation in order, in the event of exposure of the two-way shape memory polymer of the respective To provide actuators with electromagnetic radiation for accelerated or slowed heating. In this way, for example, depending on the exposure of the actuators of the functional element to electromagnetic radiation, either a more or less synchronous switching of all actuators of the functional element between the at least two preprogrammed shapes can be achieved, provided the actuators are made of the same two-way shape memory polymers or at least those with practically identical switching temperatures are formed, or a selective, accelerated and/or retarded switching of at least some actuators of the functional element between the at least two pre-programmed forms can also be achieved, for example, if only one or some actuators are exposed to the electromagnetic radiation, as a result of which they either move faster (in the case a medium absorbing the electromagnetic radiation) or more slowly (in the case of a medium absorbing the electromagnetic radiation) to one of their switching temperatures in order to be switched from one form to the other. In addition, in the case of a functional element with a large number of such actuators, it is conceivable, for example, for the functional element to be able to assume a large number of different shapes or intermediate positions between the first and the second shape of a respective actuator if some actuators move as a result of the different effects of electromagnetic radiation are in their first and others in their second form.
Bei dem ersten Zweiwege-Formgedächtnispolymer des wenigstens einen ersten Aktuators kann es sich einerseits um ein anderes Zweiwege-Formgedächtnispolymer als bei dem zweiten Zweiwege-Formgedächtnispolymer des wenigstens einen zweiten Aktuators handeln, so dass neben verschiedenen Aufheiz- bzw. Abkühlraten der Aktuatoren des Funktionselementes bei jeweiliger Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung auch verschiedene Schalttemperaturen der Zweiwege-Formgedächtnispolymere zumindest einiger Aktuatoren des Funktionselementes vorgesehen sind, welche somit bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen ihren Formen hin und her geschaltet werden können. Alternativ kann es sich bei dem ersten Zweiwege-Formgedächtnispolymer des wenigstens einen ersten Aktuators andererseits auch um dasselbe Zweiwege-Formgedächtnispolymer wie bei dem zweiten Zweiwege-Formgedächtnispolymer des wenigstens einen zweiten Aktuators handeln, so dass alle Aktuatoren des Funktionselementes zwar dieselben Schalttemperaturen besitzen, aufgrund des elektromagnetische Strahlung absorbierenden oder reflektierenden Medium zumindest einiger Aktuatoren aber bei Einwirkung solcher Strahlung schneller oder langsamer auf die jeweilige Schalttemperatur erwärmt bzw. abgekühlt werden. The first two-way shape memory polymer of the at least one first actuator can be a different two-way shape memory polymer than the second two-way shape memory polymer of the at least one second actuator, so that in addition to different heating and cooling rates of the actuators of the functional element at the respective Under the influence of electromagnetic radiation, different switching temperatures of the two-way shape memory polymers are also provided for at least some actuators of the functional element, which can thus be switched back and forth between their shapes at different temperatures. Alternatively, the first two-way shape memory polymer of the at least one first actuator can also be the same two-way shape memory polymer as the second two-way shape memory polymer of the at least one second actuator, so that although all actuators of the functional element have the same switching temperatures, due to the electromagnetic Radiation-absorbing or reflecting medium at least some actuators are heated or cooled more quickly or more slowly to the respective switching temperature when exposed to such radiation.
Wie als solches aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt, ist es darüber hinaus denkbar, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines, einiger oder aller Aktuatoren des Funktionselementes nicht mechanisch vorbelastet sind, wobei in das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer eines jeweiligen Aktuators eine rein temperaturabhängige und ohne Einwirkung von äußeren Kräften vonstatten gehende, reversible Formänderung zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form einprogrammiert ist. Stattdessen kann je nach Art der für die Aktuatoren des Funktionselementes eingesetzten Zweiwege-Formgedächtnispolymere auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer eines, einiger oder aller Aktuatoren mechanisch unter einer permanenten Spannung steht, wobei zur Erzeugung einer solchen permanenten Spannung beispielsweise die Gravitation einer auf einen jeweiligen Aktuator einwirkenden Flächenlast, einer Feder oder dergleichen dienen kann, so dass die permanente mechanische Vorbelastung zur Begünstigung des Zweiwege-Formgedächtniseffektes keinerlei äußeren Energiezufuhr bedarf.As is known as such from the prior art cited above, it is also conceivable that the at least one two-way shape memory polymer of at least one, some or all actuators of the functional element are not mechanically preloaded, with the at least one two-way shape memory polymer of a respective actuator a purely temperature-dependent and without the influence of programmed to undergo a reversible change in shape between its first shape and its second shape under the influence of external forces. Instead, depending on the type of two-way shape memory polymer used for the actuators of the functional element, it can also be provided that the at least one two-way shape memory polymer of one, some or all actuators is mechanically under permanent tension, with the generation of such a permanent tension, for example, the gravitation of a acting on a respective actuator surface load, a spring or the like can be used, so that the permanent mechanical preload to promote the two-way shape memory effect does not require any external energy supply.
Je nach gewünschter Schaltung der Aktuatoren des erfindungsgemäßen Funktionselementes in Abhängigkeit der auf diese einwirkenden elektromagnetischen Strahlung können entweder alle Aktuatoren oder nur wenigstens einer oder mehrere Aktuatoren mit dem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medium versehen sein. Darüber hinaus ist es denkbar, dass wenigstens zwei oder mehrere Aktuatoren mit (jeweils) verschiedenen elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medien und/oder mit verschiedenen Anteilen des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums versehen sind, so dass das Absorptionsvermögen zumindest einiger Aktuatoren für elektromagnetische Strahlung verschieden ist und diese bei Exposition mit elektromagnetischer Strahlung folglich schneller bzw. langsamer ihre jeweilige Schalttemperatur erreichen, um den Formgedächtniseffekt auszulösen.Depending on the desired switching of the actuators of the functional element according to the invention depending on the electromagnetic radiation acting on them, either all actuators or at least one or more actuators can be provided with the medium absorbing electromagnetic radiation. In addition, it is conceivable that at least two or more actuators are provided with (each) different electromagnetic radiation-absorbing media and/or with different proportions of the electromagnetic radiation-absorbing medium, so that the absorption capacity of at least some actuators for electromagnetic radiation is different and these Exposure to electromagnetic radiation consequently reach their respective switching temperature more quickly or more slowly in order to trigger the shape memory effect.
Das elektromagnetische Strahlung absorbierende oder reflektierende Medium, mit welchem zumindest einige Aktuatoren des erfindungsgemäßen Funktionselementes versehen sind, kann vorzugsweise elektromagnetische Strahlung im elektromagnetischen Spektrum der Sonne, z.B. im Infrarotspektrum, im ultravioletten Spektrum und/oder insbesondere im sichtbaren Spektrum, absorbieren oder reflektieren, so dass es bei Exposition von elektromagnetischer Strahlung in einem solchen Frequenzbereich entweder beschleunigt (sofern die Strahlung absorbiert wird) oder retardiert (sofern die Strahlung reflektiert wird) erwärmt wird und die Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers somit schneller oder langsamer erreicht wird. Selbstverständlich ist auf diese Weise auch eine künstliche Bestrahlung zumindest einiger Aktuatoren des Funktionselementes mit elektromagnetischer Strahlung im entsprechenden Frequenzbereich möglich, z.B. mittels wellenlängsspezifischer Lichtquellen, wie Laser, Infrarotstrahler und dergleichen.The medium absorbing or reflecting electromagnetic radiation, with which at least some actuators of the functional element according to the invention are provided, can preferably absorb or reflect electromagnetic radiation in the electromagnetic spectrum of the sun, e.g. in the infrared spectrum, in the ultraviolet spectrum and/or in particular in the visible spectrum, so that when exposed to electromagnetic radiation in such a frequency range, heating is either accelerated (if the radiation is absorbed) or retarded (if the radiation is reflected) and the switching temperature of the two-way shape memory polymer is thus reached more quickly or more slowly. Of course, artificial irradiation of at least some actuators of the functional element with electromagnetic radiation in the corresponding frequency range is also possible in this way, e.g. by means of light sources specific to the wavelength, such as lasers, infrared radiators and the like.
Das elektromagnetische Strahlung absorbierende oder reflektierende Medium kann beispielsweise in Form einer Beschichtung, wie z.B. in Form eines Lackes, einer Folie etc., auf das Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines Aktuators aufgebracht sein, wobei die Beschichtung z.B. dunkel oder weitgehend schwarz, um möglichst viel elektromagnetische Strahlung zu absorbieren, oder auch hell, weitgehend weiß oder verspiegelt sein kann, um möglichst viel elektromagnetische Strahlung zu reflektieren. Das elektromagnetische Strahlung absorbierende oder reflektierende Medium kann ferner beispielsweise in Form eines Füllstoffes, insbesondere in feinpartikulärer Form, in das Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines Aktuators eingebracht bzw. in dessen Polymermatrix eindispergiert sein. Bei derartigen Füllstoffen kann es sich folglich um elektromagnetische Strahlung absorbierende oder reflektierende Füllstoffe, vorzugsweise in feinpartikulärer Form, handeln. Elektromagnetische Strahlung im Sonnenlichtspektrum absorbierende Füllstoffe, mit welchen das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines Aktuators versetzt und/oder beschichtet sein kann und welche eine schnelle(re) Erwärmung des Zweiwege-Formgedächtnispolymers bei Lichtexposition im Sonnenlichtspektrum bewirken, können beispielsweise solche auf der Basis von Kohlenstoff, z.B. in Form von Graphit oder expandiertem Graphit, Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nano tubes, CNT), Graphen-Flocken oder dergleichen, Metallen und Metallverbindungen einschließlich deren Legierungen und Oxiden etc. umfassen, wobei selbstverständlich auch Kombinationen mehrerer verschiedener Füllstoffmaterialien verwendet werden können. Darüber hinaus können dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Aktuatoren des Funktionselementes selbstverständlich auch weitere, als solche weitgehend aus dem Stand der Technik bekannte Additive zugesetzt sein, wie Gleitmittel und andere Verarbeitungshilfsstoffe, Weichmacher, Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, Verstärkungsstoffe, Flammschutzmittel, Antistatika, Hydrolysestabilisatoren, Schlagzähmodifikatoren, Biostatika etc.The medium absorbing or reflecting electromagnetic radiation can be applied to the two-way shape memory polymer of at least one actuator, for example in the form of a coating, e.g. in the form of a paint, a film, etc., with the coating being e.g To absorb radiation, or bright, largely white or mirrored to reflect as much electromagnetic radiation as possible. The medium absorbing or reflecting electromagnetic radiation can also be introduced into the two-way shape memory polymer of at least one actuator or dispersed in its polymer matrix, for example in the form of a filler, in particular in finely particulate form. Such fillers can consequently be fillers that absorb or reflect electromagnetic radiation, preferably in fine-particle form. Fillers that absorb electromagnetic radiation in the sunlight spectrum, with which the at least one two-way shape memory polymer of at least one actuator can be added and/or coated and which cause the two-way shape memory polymer to heat up more quickly when exposed to light in the sunlight spectrum, can, for example, be based on Carbon, e.g. in the form of graphite or expanded graphite, soot, carbon nanotubes (CNT), graphene flakes or the like, metals and metal compounds including their alloys and oxides, etc., whereby of course combinations of several different filler materials can also be used . In addition, the at least one two-way shape memory polymer of the actuators of the functional element can, of course, also have other additives that are largely known from the prior art, such as lubricants and other processing aids, plasticizers, antioxidants, UV stabilizers, reinforcing materials, flame retardants, antistatic agents, Hydrolysis stabilizers, impact modifiers, biostatics, etc.
Je nach Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Funktionselementes kann das Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines oder einiger oder aller Aktuatoren beispielsweise derart programmiert sein, dass der Aktuator in seiner ersten Form wenigstens einen Durchlasskanal mit einem ersten Querschnitt aufweist und in seiner zweiten Form einen Durchlasskanal mit einem von dem ersten Querschnitt verschiedenen zweiten Querschnitt oder gar keinen Durchlasskanal aufweist. Darüber hinaus kann das Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines oder einiger oder aller Aktuatoren z.B. derart programmiert sein, dass der Aktuator in seiner ersten Form eine von seiner zweiten Form verschiedene Länge, Höhe und/oder Breite aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise denkbar, dass das Zweiwege-Formgedächtnispolymer zumindest eines oder einiger oder aller Aktuatoren derart programmiert ist, dass der Aktuator in seiner ersten Form eine von einer zweiten Form verschiedene Biegung und/oder Torsion aufweist.Depending on the intended use of the functional element according to the invention, the two-way shape memory polymer of at least one or some or all actuators can be programmed, for example, in such a way that the actuator has at least one passage channel with a first cross section in its first form and a passage channel with one of the first cross section in its second form Cross-section having different second cross-section or no through-channel at all. In addition, the two-way shape memory polymer of at least one or some or all of the actuators can be programmed, for example, in such a way that the actuator has a different length, height and/or width in its first shape than in its second shape. Alternatively or additionally, it is conceivable, for example, that the two-way shape memory polymer at least one or some or all of the actuators is programmed such that the actuator has a different bending and/or torsion in its first form than in a second form.
Während für die Aktuatoren des erfindungsgemäßen Funktionselementes grundsätzlich beliebige bekannte Zweiwege-Formgedächtnispolymere zum Einsatz gelangen können, deren Schalttemperaturen in einem für den jeweiligen Einsatzzweck des Funktionselementes geeigneten Bereich liegen, kann es sich bei dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Aktuatoren z.B. vorzugsweise um ein Polyurethanelastomer, insbesondere um ein Polyester- oder Polyetherurethanelastomer, handeln, wobei selbstverständlich auch Polymermischungen bzw. Blends oder Compounds aus bzw. mit Zweiwege-Formgedächtnispolymeren Verwendung finden können. Beispiele solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind beispielsweise aus dem Aufsatz von T. Pretsch, M. Bothe: „Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer“, Journal of Materials Chemistry A, 20 (2013), 14.491-14.497 bekannt, wobei exemplarisch ein thermoplastisches Polyurethanelastomer mit Hartsegmenten bzw. Netzpunkten auf der Basis von Methylendiphenylisocyanat (MDI) und 1,4-Butandiol (teilkristallin/amorph) und mit Schalt- bzw. Weichsegmenten auf der Basis von Polybutylen-1,4-adipat, welches durch Reaktion von 1,4-Butandiol mit Adipinsäure erhalten werden kann, erwähnt sei. Wird dieses Polymer erstmalig auf eine Verformungstemperatur von etwa 60°C erwärmt, so lässt es sich zwecks seiner Zweiwege-Formgedächtnisprogrammierung, vorzugsweise mit einer langsamen Verformungsrate von beispielsweise etwa 1%/s, z.B. mit einer Dehnung von insgesamt bis zu etwa 1000% verformen, woraufhin es auf etwa 0°C abgekühlt wird, um eine Längenausdehnung des Materials zu erzielen. Wird das Polymer sodann bis in den Schalttemperaturbereich („zweite Schalttemperatur“) von etwa 30°C bis 55°C erwärmt, so werden die Schaltsegmente aufgeschmolzen und von ihrem vornehmlich teilkristallinen Zustand in ihren vornehmlich amorphen bzw. flexiblen Zustand überführt, so dass das Polymer wieder zurück geschaltet wird bzw. sich zusammenzieht, ohne dass hierzu abermals eine Verformungskraft aufgebracht werden muss. Wird es anschließend wieder auf seine Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“) im Bereich von unterhalb etwa 20°C abgekühlt, so kristallisieren die Schaltsegmente erneut und das Polymer wird abermals geschaltet bzw. verformt, etc. Beispiele für Zweiwege-Formgedächtnispolymere, deren Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften insbesondere durch Einwirkung einer permanenten Druckkraft begünstigt werden können, so dass das Zweiwege- Formgedächtnispolymer unter einer permanenten mechanischen Spannung steht, sind beispielsweise aus dem Aufsatz von M. Bothe, T. Pretsch: „Two-way shape changes of a shape memory poly(ester urethane)“ in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385 bekannt, wobei exemplarisch ein Polyesterurethan mit Weichsegmenten aus kristallisierbarem Poly(1,4-butylenadipat) (PBA) erwähnt sei, welches im entsprechend programmierten Zustand Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweist, um sich bei Abkühlung unter die Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“) auszudehnen und sich bei Erwärmung über den Schalttemperaturbereich („zweite Schalttemperatur“) zusammenzuziehen. Um insbesondere den Übergang zwischen einem amorphen Zustand des PBA bei hohen Temperaturen in einen teilkristallinen Zustand des PBA bei tiefen Temperaturen zu begünstigen und einen sehr hohen Anteil an Kristallinität des PBA - einhergehend mit einer sehr starken Verformung - zu erzielen, kann ein solches Zweiwege-Formgedächtnispolymer mit einer mechanischen Spannung, z.B. im Bereich von etwa 1,5 MPa, beaufschlagt werden. Darüber hinaus sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass durch Variation einer solchen mechanischen Spannung insbesondere auch die Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“) der Weichsegmente des Zweiwege-Formgedächtnispolymers und hiermit einhergehend deren Schmelztemperatur („zweite Schalttemperatur“) gezielt an den jeweiligen Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers bzw. an die örtlichen Gegebenheiten seines Einsatzortes angepasst werden kann. Ferner kann das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Aktuatoren des Funktionselementes beispielsweise auch nur bereichsweise unter einer permanenten mechanischen Spannung stehen, wie z.B. infolge der Gravitation einer nur bereichsweise auf den jeweiligen Aktuator einwirkenden Flächenlast.While in principle any known two-way shape memory polymers can be used for the actuators of the functional element according to the invention, the switching temperatures of which are in a range that is suitable for the respective application of the functional element, the at least one two-way shape memory polymer of the actuators can, for example, preferably be a polyurethane elastomer, in particular a polyester or polyether urethane elastomer, although of course polymer mixtures or blends or compounds made from or with two-way shape memory polymers can also be used. Examples of such two-way shape memory polymers are known, for example, from the article by T. Pretsch, M. Bothe: "Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 20 (2013), 14.491-14.497, with a thermoplastic polyurethane elastomer being used as an example with hard segments or network points based on methylenediphenyl isocyanate (MDI) and 1,4-butanediol (partially crystalline/amorphous) and with switching or soft segments based on polybutylene-1,4-adipate, which is obtained by reacting 1,4 -Butanediol can be obtained with adipic acid, should be mentioned. When this polymer is first heated to a deformation temperature of about 60°C, it can be deformed for the purpose of programming its two-way shape memory, preferably at a slow deformation rate of, for example, about 1%/s, e.g. with a total elongation of up to about 1000%. whereupon it is cooled to about 0°C to achieve elongation of the material. If the polymer is then heated up to the switching temperature range ("second switching temperature") of around 30°C to 55°C, the switching segments are melted and converted from their primarily semi-crystalline state into their primarily amorphous or flexible state, so that the polymer is switched back again or contracts without a deformation force having to be applied again for this purpose. If it is then cooled back to its crystallization temperature (“first switching temperature”) in the range below about 20°C, the switching segments crystallize again and the polymer is switched or deformed again, etc. Examples of two-way shape memory polymers, their two-way shape memory properties can be favored in particular by the action of a permanent compressive force, so that the two-way shape memory polymer is under permanent mechanical stress, for example from the article by M. Bothe, T. Pretsch: "Two-way shape changes of a shape memory poly(ester urethane)” in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385, with a polyester urethane having soft segments made of crystallizable poly(1,4-butylene adipate) (PBA) being mentioned as an example, which has two-way shape-memory properties in the correspondingly programmed state in order to change under the when cooled crystallization temperature (“first switching temperature”) to expand and to contract when heated above the switching temperature range (“second switching temperature”). In order in particular to favor the transition between an amorphous state of the PBA at high temperatures into a semi-crystalline state of the PBA at low temperatures and to achieve a very high proportion of crystallinity of the PBA - accompanied by a very strong deformation - such a two-way shape memory polymer can be subjected to a mechanical stress, e.g. in the range of about 1.5 MPa. In addition, it should be pointed out at this point that by varying such a mechanical stress, in particular the crystallization temperature (“first switching temperature”) of the soft segments of the two-way shape memory polymer and, as a result, their melting temperature (“second switching temperature”), can also be adjusted specifically to the respective intended use of the device according to the invention Latent heat storage or can be adapted to the local conditions of its location. Furthermore, the at least one two-way shape memory polymer of the actuators of the functional element can also only be under permanent mechanical stress in certain areas, for example as a result of the gravitational pull of a surface load acting only in certain areas on the respective actuator.
Darüber hinaus kann es sich bei dem wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Aktuatoren des Funktionselementes vorteilhafterweise um ein plastifizierbares, thermoplastisches Polymer handeln, was ihm eine einfache Herstellung mittels praktisch beliebiger thermoplastischer Verarbeitungsverfahren eröffnet und ihm im Hinblick auf eine einfache Rezyklierung eine gegenüber Duroplasten erhöhte Umweltfreundlichkeit verleiht. Während derartige thermoplastische Zweiwege-Formgedächtnispolymere, wie gesagt, weitestgehend mittels üblicher thermoplastischer Verarbeitungsverfahren, wie z.B. Extrudieren, Spritzgießen, Heißpressen, Kalandrieren, Blasformen, Rotationsformen etc., zu den Aktuatoren des Funktionselementes verarbeitet werden können, welche sodann z.B. in der oben beschriebenen Weise auf ihre erste und zweite Form programmiert werden können, können die Aktuatoren des Funktionselementes beispielsweise auch mittels eines Verfahrens des Rapid Prototypings erzeugt werden, wie insbesondere durch ein Schmelzschichtverfahren, wie es vornehmlich in 3D-Druckern zur Anwendung gelangt. Das auch als „fused deposition modeling“ (FDM) oder „fused filament fabrication“ (FFF) bezeichnete Schmelzschichtverfahren stellt ein Fertigungsverfahren dar, bei welchem ein thermoplastisches Polymer oder ein Polymer-Blend aus thermoplastischen Polymeren plastifiziert und mittels einer üblicherweise im Druckkopf des 3D-Druckers vorgesehenen Düse schichtweise abgeschieden wird, um den letztlich aus einer Vielzahl an solchen Schichten gebildeten Aktuator in seiner permanenten Form zu erzeugen. Dies ermöglicht einerseits eine auch für Kleinserien geeignete, schichtweise Herstellung von relativ komplexen und beispielsweise durch herkömmliche thermoplastische Verarbeitungsverfahren, wie Spritzgießen, Extrudieren etc., nicht oder nur schwer herstellbaren Aktuatoren, wobei das Schmelzschichtverfahren andererseits auch für die Serienfertigung von Aktuatoren mit relativ komplexer Geometrie und/oder Oberflächenstrukturen eingesetzt werden kann. Bei dem auch als „additive manufacturing“ bezeichneten 3D-Drucken wird dabei üblicherweise ein dreidimensionales Modell der zu erzeugenden Aktuatoren digital erstellt, was insbesondere mittels der bekannten Methoden des Computer Aided Designs (CAD) geschehen kann. Darüber hinaus wird mittels einer geeigneten Software, wie beispielsweise eines sogenannten Slicer-Programms (z.B. Cura™ oder dergleichen), das dreidimensionale Modell der zu erzeugenden Aktuatoren in eine Mehrzahl an dünnen Schichten zerlegt, woraufhin das plastifizierte Polymer mittels der Düse des entsprechend bewegten Druckkopfes schichtweise abgeschieden wird, um den Aktuator Schicht für Schicht aufzubauen. Unmittelbar nach dem Ausbringen des mehr oder minder strang- oder tropfenförmig aus der Düse des Druckkopfes ausgetragenen Polymerplastifikates beginnt der Aushärtungsprozess - oder genauer: der Erstarrungsprozess -, wobei das abgeschiedene Plastifikat beispielsweise bei Umgebungstemperatur oder auch unter aktiver Abkühlung erstarrt. Wird ein solchermaßen erzeugter Aktuator aus einem thermoresponsiven Zweiwege-Formgedächtnispolymer auf die jeweilige Schalttemperatur erwärmt bzw. abgekühlt, nachdem es zuvor in der oben beschriebenen Weise programmiert worden ist, so vermag es gleichfalls reversibel zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form hin und her geschaltet zu werden.In addition, the at least one two-way shape memory polymer of the actuators of the functional element can advantageously be a plasticizable, thermoplastic polymer, which makes it easy to produce using practically any thermoplastic processing method and makes it more environmentally friendly than thermosets in terms of easy recycling . While such thermoplastic two-way shape memory polymers, as I said, largely by means of conventional thermoplastic processing methods such as extrusion, injection molding, hot pressing, calendering, blow molding, rotational molding, etc., can be processed into the actuators of the functional element, which then, for example, in the manner described above their first and second form can be programmed, the actuators of the functional element can also be produced, for example, by means of a rapid prototyping method, such as in particular by a fused layer method, as is primarily used in 3D printers. Also known as fused deposition modeling (FDM) or fused filament fabrication (FFF). Driving is a manufacturing process in which a thermoplastic polymer or a polymer blend of thermoplastic polymers is plasticized and deposited in layers using a nozzle usually provided in the print head of the 3D printer in order to permanently replace the actuator, which is ultimately formed from a large number of such layers to generate shape. On the one hand, this enables the layered production of relatively complex actuators, which is also suitable for small series and cannot be produced or can only be produced with difficulty using conventional thermoplastic processing methods such as injection molding, extrusion, etc., with the melt layer process also being used for the series production of actuators with relatively complex geometry and / or surface structures can be used. In the case of 3D printing, also referred to as “additive manufacturing”, a three-dimensional model of the actuators to be produced is usually created digitally, which can be done in particular using the known methods of computer-aided design (CAD). In addition, using suitable software, such as a so-called slicer program (e.g. Cura™ or similar), the three-dimensional model of the actuators to be produced is broken down into a plurality of thin layers, whereupon the plasticized polymer is cut layer by layer using the nozzle of the correspondingly moved print head is deposited to build up the actuator layer by layer. The hardening process - or more precisely: the solidification process - begins immediately after the discharge of the more or less strand-like or droplet-shaped polymer plasticate from the nozzle of the print head, whereby the separated plasticate solidifies, for example at ambient temperature or with active cooling. If an actuator produced in this way from a thermoresponsive two-way shape memory polymer is heated or cooled to the respective switching temperature after it has previously been programmed in the manner described above, it can also be switched back and forth reversibly between its first shape and its second shape become.
Die
Darüber hinaus kann das thermoplastische Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Aktuatoren des Funktionselementes beispielsweise auch mittels selektiven Lasersinterns (SLS) erzeugt werden, wie es beispielsweise aus dem Fachaufsatz „Characterization of creeping and shape memory effect in laser sintered thermoplastic polyurethane“ von S. Yuan et al., Journal of Computing and Information Science in Engineering, 16 (2016), Issue 4, Seiten 041007-041007-5 bekannt ist, wobei den Aktuatoren gleichfalls sehr komplexe Geometrien und/oder Oberflächenbeschaffenheiten verliehen werden können.In addition, the thermoplastic two-way shape memory polymer of the actuators of the functional element can also be produced, for example, by means of selective laser sintering (SLS), as is described, for example, in the technical article "Characterization of creeping and shape memory effect in laser sintered thermoplastic polyurethane" by S. Yuan et al. , Journal of Computing and Information Science in Engineering, 16 (2016), Issue 4, pages 041007-041007-5, it being possible for the actuators to be given very complex geometries and/or surface finishes as well.
Lediglich exemplarisch sind nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele von für die Aktuatoren eines erfindungsgemäßen Funktionselementes geeigneten Zweiwege-Formgedächtnispolymeren in Form von thermoplastischen Polyesterurethanen (TPU) auf der Basis von Poly(1,6-hexylenadipat)diol (PHA) bzw. Poly(1,4-butylenadipat)diol (PBA) als Polyol-Komponente und 4,4'-Methylendiphenylisocyanat (MDI) als Diisocyanatkomponente mit 1,4-Butandiol (BD) als Kettenverlängerer angegeben, welche aus den tabellarisch zusammengestellten Edukten synthetisiert worden sind.Two exemplary embodiments of two-way shape memory polymers suitable for the actuators of a functional element according to the invention in the form of thermoplastic polyester urethanes (TPU) based on poly(1,6-hexylene adipate)diol (PHA) or poly(1,4-butylene adipate) are given below merely as examples ) diol (PBA) as the polyol component and 4,4'-methylenediphenyl isocyanate (MDI) as the diisocyanate component with 1,4-butanediol (BD) as the chain extender, which have been synthesized from the tabulated starting materials.
Beispiel 1:Example 1:
Zweiwege-Formgedächtnispolymer „TPU-PHA 3000/15“:
- - Kristallisationstemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PHA („erste Schalttemperatur):
- ca. 0°C bis ca. 20°C,
- - Schmelztemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PHA („zweite Schalttemperatur):
- ca. 30°C bis ca. 50°C,
- - Hartsegmentanteil (MDI/BD): ca. 15%,
- - NCO-Index: 1,005.
- - Crystallization temperature range of the switching or soft segments based on PHA (“first switching temperature”):
- approx. 0°C to approx. 20°C,
- - Melting temperature range of the switching and soft segments based on PHA (“second switching temperature”):
- approx. 30°C to approx. 50°C,
- - Hard segment content (MDI/BD): approx. 15%,
- - NCO index: 1.005.
Beispiel 2:Example 2:
Zweiwege-Formgedächtnispolymer „TPU-PBA 4000/15“:
- - Kristallisationstemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PBA ("erste Schalttemperatur):
- ca. -10°C bis ca. 10°C,
- - Schmelztemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PBA ("zweite Schalttemperatur):
- ca. 30°C bis ca. 50°C,
- - Hartsegmentanteil (MDI/BD): ca. 15%,
- - NCO-Index: 1,005.
- - Crystallization temperature range of the switching or soft segments based on PBA ("first switching temperature):
- approx. -10°C to approx. 10°C,
- - Melting temperature range of the switching or soft segments based on PBA ("second switching temperature"):
- approx. 30°C to approx. 50°C,
- - Hard segment content (MDI/BD): approx. 15%,
- - NCO index: 1.005.
Allerdings sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich bei dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer der Aktuatoren des Funktionselementes nicht notwendigerweise um ein thermoplastisches Polymer handeln muss, sondern grundsätzlich auch vornehmlich elastomere oder duroplastische Polymere in Betracht kommen. Geeignete Vertreter solcher duroplastischer Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind beispielsweise in dem Fachaufsatz „Catalystfree thermoset polyurethane with permanent shape reconfigurability and highly tunable triple-shape memory performance“ von N. Zheng et al. in ACS Macro Letters 6, 4 (2017), Seiten 326-330 beschrieben.However, it should be pointed out at this point that the at least one two-way shape memory polymer of the actuators of the functional element does not necessarily have to be a thermoplastic polymer, but in principle primarily elastomeric or duroplastic polymers can also be considered. Suitable representatives of such duroplastic two-way shape memory polymers are, for example, in the technical article "Catalyst-free thermoset polyurethane with permanent shape reconfigurability and highly tunable triple-shape memory performance" by N. Zheng et al. in
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funktionselementes kann vorgesehen sein, dass es ferner wenigstens einen Spiegel und/oder wenigstens eine Blende umfasst, welche zur Fokussierung von elektromagnetischer Umgebungsstrahlung auf zumindest einen oder mehrere der Aktuatoren ausgebildet ist, um einen oder mehrere Aktuatoren gezielt in einem höheren Maße der elektromagnetischen Strahlung zu exponieren als andere Aktuatoren des Funktionselementes, so dass sich diese z.B. schneller erwärmen können als andere Aktuatoren und ihre Schalttemperatur somit schneller erreichen, um zeitlich versetzt zu den anderen Aktuatoren von ihrer einen Form in die andere Form geschaltet zu werden.According to a further development of the functional element according to the invention, it can be provided that it also comprises at least one mirror and/or at least one screen, which is designed to focus electromagnetic ambient radiation onto at least one or more of the actuators in order to target one or more actuators to a greater extent to electromagnetic radiation than other actuators of the functional element, so that they can, for example, heat up more quickly than other actuators and thus reach their switching temperature more quickly in order to be switched from one form to the other with a time offset to the other actuators.
Alternativ oder zusätzlich kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass das Funktionselement ferner wenigstens eine Abschirmung umfasst, welche zur zumindest teilweisen Abschirmung von elektromagnetischer Umgebungsstrahlung auf zumindest einen oder mehrere der Aktuatoren ausgebildet ist, um einen oder mehrere Aktuatoren gezielt in einem geringeren Maße der elektromagnetischen Strahlung zu exponieren als andere Aktuatoren des Funktionselementes, so dass sich diese z.B. langsamer erwärmen als andere Aktuatoren und ihre Schalttemperatur somit später erreichen, um wiederum zeitlich versetzt zu den anderen Aktuatoren von ihrer einen Form in die andere Form geschaltet zu werden. Anstelle einer Abschirmung kann zu entsprechenden Zwecken beispielsweise auch eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, welche zur Kühlung zumindest eines oder mehrerer der Aktuatoren ausgebildet ist, wobei die Kühleinrichtung z.B. von einer mit externer, insbesondere elektrischer, Energie betriebene Kühleinrichtung, z.B. in Form eines Peltier-Elementes oder dergleichen, gebildet sein kann oder auch ein Kältereservoir, wie einen Wasserspeicher, ein natürliches Gewässer, Erdboden etc., umfassen kann.Alternatively or additionally, it can be provided in this context that the functional element also comprises at least one shield, which is used for at least partial shielding of elec romagnetic ambient radiation is designed on at least one or more of the actuators in order to expose one or more actuators to the electromagnetic radiation in a targeted manner to a lesser extent than other actuators of the functional element, so that they heat up more slowly than other actuators, for example, and thus reach their switching temperature later, in order to be switched from one form to the other at a different time than the other actuators. Instead of a shield, for example, a cooling device can also be provided for corresponding purposes, which is designed to cool at least one or more of the actuators, the cooling device being powered, for example, by a cooling device operated with external, in particular electrical, energy, for example in the form of a Peltier element or The like, can be formed or a cold reservoir, such as a water reservoir, a natural body of water, soil, etc., can include.
Das erfindungsgemäße, aus einer Mehrzahl an solchen Aktuatoren gebildetes Funktionselement kann für verschiedenste Anwendungsgebiete zum Einsatz gelangen, wobei es beispielsweise eine Mehrzahl an im Wesentlichen parallel angeordneter Aktuatoren aufweist, welche eine erste Form sowie eine zweite Form mit verschiedenen geometrischen Abmessungen aufweisen und als Stellelemente für Fenster, Türen oder Beschattungseinrichtungen ausgebildet sind.The functional element according to the invention, formed from a plurality of such actuators, can be used for a wide variety of applications, for example having a plurality of actuators arranged essentially in parallel, which have a first shape and a second shape with different geometric dimensions and as control elements for windows , doors or shading devices are formed.
Das erfindungsgemäße Funktionselement kann ferner z.B. eine Mehrzahl an im Wesentlichen parallel angeordneter Aktuatoren umfassen, welche eine erste Form mit wenigstens einem Durchlasskanal und eine zweite Form mit wenigstens einem Durchlasskanal verschiedenen Querschnittes oder keinen Durchlasskanal aufweisen und als Ventilaggregat für Fluide ausgebildet sind. Derartige Funktionselemente können z.B. in der (Mikro)fluidik oder als fotosensitive Dämmmaterialien zum Einsatz gelangen.The functional element according to the invention can also include, for example, a plurality of actuators arranged essentially in parallel, which have a first shape with at least one through-channel and a second shape with at least one through-channel of different cross-section or no through-channel and are designed as a valve unit for fluids. Such functional elements can be used, for example, in (micro)fluidics or as photosensitive insulating materials.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Funktionselement beispielsweise auch als Lichtkraftmaschine zur Erzeugung von kinetischer Energie dienen, wobei das Funktionselement z.B. eine Mehrzahl an am Umfang eines Antriebsrades angeordneten Aktuatoren aufweisen kann, welche eine erste Form und eine zweite Form mit verschiedenen geometrischen Abmessungen mit radialer Erstreckungskomponente des Antriebsrades aufweisen, um das Antriebsrad gravimetrisch in Drehung zu versetzen.In addition, a functional element according to the invention can also be used, for example, as an alternator for generating kinetic energy, in which case the functional element can have, for example, a plurality of actuators arranged on the circumference of a drive wheel, which have a first shape and a second shape with different geometric dimensions with a radial extension component of the drive wheel have to rotate the drive wheel gravimetrically.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 eine fotografische Ansicht eines Prototypen eines nach Art einer Lichtkraftmaschine ausgestalteten Funktionselementes mit einer Mehrzahl an am Umfang eines Antriebsrades angeordneten Aktuatoren aus Zweiwege-Formgedächtnispolymeren; -
2 eine fotografische Detailansicht des mit den Aktuatoren ausgestatteten Antriebsrades des Funktionselementes gemäß1 ; -
3A eine fotografische Detailansicht eines der Aktuatoren des Funktionselementes gemäß1 und2 , wobei sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer in einer ersten Form des Aktuators befindet; -
3B eine fotografische Detailansicht eines der Aktuatoren des Funktionselementes entsprechend der3A , wobei sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer in einer zweiten Form des Aktuators befindet; -
4A eine fotografische Detailansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Aktuators des Funktionselementes gemäß1 und2 , wobei sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer in einer ersten Form des Aktuators befindet; und -
4B eine fotografische Detailansicht eines der Aktuatoren des Funktionselementes entsprechend der4A , wobei sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer in einer zweiten Form des Aktuators befindet.
-
1 a photographic view of a prototype of a functional element designed in the manner of an alternator with a plurality of actuators made of two-way shape memory polymers arranged on the circumference of a drive wheel; -
2 a detailed photographic view of the drive wheel of the functional element equipped with the actuators according to FIG1 ; -
3A a detailed photographic view of one of the actuators of the functional element according to FIG1 and2 wherein the two-way shape memory polymer is in a first shape of the actuator; -
3B a photographic detailed view of one of the actuators of the functional element according to FIG3A wherein the two-way shape memory polymer is in a second shape of the actuator; -
4A a photographic detail view of an alternative embodiment of an actuator of the functional element according to FIG1 and2 wherein the two-way shape memory polymer is in a first shape of the actuator; and -
4B a photographic detailed view of one of the actuators of the functional element according to FIG4A , wherein the two-way shape memory polymer is in a second shape of the actuator.
In der
Wie weiterhin insbesondere den
Mit fortwährender Drehung des Antriebsrades erreichen die in der zweiten Form (
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2020/228920 A1 [0007]WO 2020/228920 A1 [0007]
- DE 102020001380 A1 [0008]DE 102020001380 A1 [0008]
- DE 102020000159 A1 [0009]DE 102020000159 A1 [0009]
- CN 105936747 A [0021]CN 105936747A [0021]
- DE 102018003274 A1 [0021]DE 102018003274 A1 [0021]
Claims (12)
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DE102021131438.0A DE102021131438A1 (en) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Functional element with a plurality of actuators made of two-way shape memory polymers |
Applications Claiming Priority (1)
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Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105936747A (en) | 2016-05-13 | 2016-09-14 | 哈尔滨工业大学 | Method for preparing triple shape memory polymer through blending shape memory polyurethane with ABS resin, and application of triple shape memory polymer in 3D printing |
DE102012202399B4 (en) | 2011-02-28 | 2018-01-18 | Dynalloy, Inc. | METHOD FOR STARTING AND OPERATING A MOLDED MEMBRANE HEATING POWER ENGINE |
DE102018109338A1 (en) | 2018-04-19 | 2019-10-24 | Martin Huber | Heat engine with an endless belt, endless belt and method of making an endless belt |
DE102018003274A1 (en) | 2018-04-23 | 2019-10-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Polymer blend with shape memory and / or with thermoresponsive properties |
WO2020228920A1 (en) | 2019-05-16 | 2020-11-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Device for temporarily storing and dispensing water |
DE102020000159A1 (en) | 2020-01-14 | 2021-07-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Insulating device with an insulating element made of foamed plastic material |
DE102020105374A1 (en) | 2020-02-28 | 2021-09-02 | Martin Huber Patent UG (haftungsbeschränkt) | Double-layer component, heat engine with several spokes designed as a double-layer component and method for producing a double-layer component |
DE102020001380A1 (en) | 2020-03-04 | 2021-09-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Latent heat storage |
DE102017124885B4 (en) | 2017-10-24 | 2021-10-28 | Memetis Gmbh | Remote controllable coupling, especially model train couplings |
DE102013201990B4 (en) | 2012-02-12 | 2021-11-04 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Method for activating thermally responsive active materials by means of wireless transmission |
-
2021
- 2021-11-30 DE DE102021131438.0A patent/DE102021131438A1/en active Pending
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012202399B4 (en) | 2011-02-28 | 2018-01-18 | Dynalloy, Inc. | METHOD FOR STARTING AND OPERATING A MOLDED MEMBRANE HEATING POWER ENGINE |
DE102013201990B4 (en) | 2012-02-12 | 2021-11-04 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Method for activating thermally responsive active materials by means of wireless transmission |
CN105936747A (en) | 2016-05-13 | 2016-09-14 | 哈尔滨工业大学 | Method for preparing triple shape memory polymer through blending shape memory polyurethane with ABS resin, and application of triple shape memory polymer in 3D printing |
DE102017124885B4 (en) | 2017-10-24 | 2021-10-28 | Memetis Gmbh | Remote controllable coupling, especially model train couplings |
DE102018109338A1 (en) | 2018-04-19 | 2019-10-24 | Martin Huber | Heat engine with an endless belt, endless belt and method of making an endless belt |
DE102018003274A1 (en) | 2018-04-23 | 2019-10-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Polymer blend with shape memory and / or with thermoresponsive properties |
WO2020228920A1 (en) | 2019-05-16 | 2020-11-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Device for temporarily storing and dispensing water |
DE102020000159A1 (en) | 2020-01-14 | 2021-07-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Insulating device with an insulating element made of foamed plastic material |
DE102020105374A1 (en) | 2020-02-28 | 2021-09-02 | Martin Huber Patent UG (haftungsbeschränkt) | Double-layer component, heat engine with several spokes designed as a double-layer component and method for producing a double-layer component |
DE102020001380A1 (en) | 2020-03-04 | 2021-09-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Latent heat storage |
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