一種形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件及其制備方法
【專利摘要】一種形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件及其制備方法，涉及一種可反復使用的形狀記憶結(jié)構(gòu)扣件及其制備方法。所述形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件由“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分組成，所述“鉤”狀部分中，鉤的材質(zhì)為使用層壓法制備而成的雙向形狀記憶層壓材料，其由形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層組成，無形狀記憶環(huán)氧層的Tg高于形狀記憶環(huán)氧層的Tg。本發(fā)明的可反復使用的形狀記憶結(jié)構(gòu)扣件具有以下優(yōu)點：可通過溫度控制其緊固和脫附的過程，比較傳統(tǒng)尼龍粘扣式扣件，具有更強的結(jié)合力，在結(jié)合后，扣件不易脫落，脫離的過程，使用較小外力便可脫附。同時，結(jié)構(gòu)扣件的結(jié)合和脫附過程均由溫度可逆控制，無需外力介入，也可用于遠程操控，可反復使用。
【專利說明】一種形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可反復使用的形狀記憶結(jié)構(gòu)扣件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]形狀記憶聚合物材料可以通過一定適當?shù)拇碳ば问?，使聚合物由形狀A轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤頑，其中形狀B是材料的原始形狀，而形狀A則是通過一定的過程固定的臨時形狀。其中感熱型形狀記憶聚合物被人們最早認識，同時也是應用最為廣泛的形狀記憶聚合物。
[0003]多數(shù)“環(huán)-鉤”緊扣件材料不具有形狀記憶功能，大多使用外力時“鉤-環(huán)”結(jié)構(gòu)扣緊和破壞，其弊端在于需要外力接觸，而且扣件牢固性不高，脫離時要使用較大外力，不能通過其他刺激方式對扣件進行遠程操控。目前有一些形狀記憶結(jié)構(gòu)扣件，也使用“鉤-環(huán)”式緊固原理使扣件緊固，其“鉤”部分使用形狀記憶材料制備，但形狀記憶材料不具備雙向形變特性，在脫離時可以通過其他刺激方式進行遠程控制，同時僅需要較小外力便可以脫附，但其弊端在于不能反復使用，經(jīng)過一次形狀記憶觸發(fā)之后必須在外力的作用下重新扣緊，使“鉤”結(jié)構(gòu)部分在外力作用下變回原型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有“環(huán)-鉤”緊扣件存在的問題，本發(fā)明提供一種形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件的制備方法，使用層壓法制備雙向形狀記憶材料，由溫度控制材料的形變，而完全不需要外力的作用，這樣既能夠達到在較小外力作用甚至不需要外力作用下對緊固件進行遠程控制，同時緊固件又可以反復使用的目的。
[0005]本發(fā)明的形狀記憶環(huán)氧結(jié)構(gòu)扣件為“環(huán)-鉤”緊扣件，其由“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分兩部分組成，“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分相對設(shè)置，所述“環(huán)”狀部分由環(huán)和基底組成，基底上均勻分布有若干個環(huán)，所述“鉤”狀部分由鉤和可加熱基底組成，可加熱基底上均勻分布有若干個可與“環(huán)”狀部分的環(huán)搭扣連接的鉤。本發(fā)明在原有“環(huán)-鉤”緊扣件技術(shù)上，改進了鉤的材質(zhì)，使鉤材料具有雙向形狀記憶特性，擴展了其使用范圍，增加其性能，所述鉤的材質(zhì)為使用層壓法制備而成的由形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層組成的雙向形狀記憶層壓材料。
[0006]本發(fā)明按照如下步驟制備形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件:
(O制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系；
(2 )將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系加熱至形狀記憶溫度以上，進行鉤狀彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶環(huán)氧層邊緣纏緊，作為無形狀記憶環(huán)氧層固化的模具；
(3)將剛混合均勻的用于制備無形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑均勻地倒在形狀記憶環(huán)氧層的上方，在固化條件下制備無形狀記憶環(huán)氧層，即得到雙向形狀記憶層壓材料；
(4)將經(jīng)過固化后的雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，均勻分布在可加熱的基底上，組成“鉤”狀部分；
(5)將環(huán)均勻分布在基底材料上，組成“環(huán)”狀部分。
[0007]本發(fā)明涉及的層壓雙向形狀記憶材料的原理如下:將具有形狀記憶性能的環(huán)氧樹脂加熱至形狀記憶溫度以上將材料進行彎曲變形，形成“鉤狀”形狀，然后快速冷卻，將彎曲的材料臨時形狀進行固定，將應力能儲存。將經(jīng)過彎曲應變后的形狀記憶環(huán)氧與沒有形狀記憶性能的環(huán)氧樹脂材料進行層壓。如果加熱至形狀記憶材料的恢復溫度以上，形狀記憶環(huán)氧層便會釋放儲存的應力能，具有轉(zhuǎn)變成原來伸直的趨勢，此時形狀記憶環(huán)氧層的伸直運動會帶動無形狀記憶性能環(huán)氧層一起運動，在宏觀上表現(xiàn)為層壓材料的伸直運動，同時應力能也由形狀記憶層轉(zhuǎn)移至發(fā)生形變的無形狀記憶環(huán)氧層，轉(zhuǎn)換為彈性勢能。當形狀記憶層材料的回復力與無形狀記憶層的彎曲應力相等時，材料不再彎曲，達到力穩(wěn)態(tài)。對材料進行降溫處理時，無形狀記憶環(huán)氧層模量上升比形狀記憶層較快，伸直的彈性層會帶動無形狀記憶環(huán)氧層進行彎曲運動，無形狀記憶環(huán)氧層的彈性勢能逐漸轉(zhuǎn)換為形狀記憶環(huán)氧層的應力能。當兩層間相互作用力相等時，材料不再進行彎曲運動。
[0008]本發(fā)明的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件的具體操作過程為:將制備好的熱活性“鉤”加熱至形狀記憶溫度以上，“鉤”進行伸直運動，此時與另外一面“環(huán)”狀部分接觸，降溫至材料形狀記憶溫度以下，“鉤”狀部分逐漸彎曲，與“環(huán)”狀部分緊扣，使整個固件扣緊。當扣件需要解離的時候，對“鉤”狀部分升溫，材料逐漸伸直，兩個部分的作用力減小，最終解離。重復以上過程，緊固件可以反復使用。
[0009]本發(fā)明使用熱固性環(huán)氧樹脂作為形狀記憶聚合物，使形狀記憶結(jié)構(gòu)扣件具有雙向形狀記憶特性。本發(fā)明使用層壓法制備雙向形狀記憶材料，形狀變化不需要外力作用，可以使扣件反復使用，其具有以下優(yōu)點:
1、可通過溫度控制其緊固和脫附的過程，比較傳統(tǒng)尼龍粘扣式扣件具有更強的結(jié)合力，在結(jié)合后，扣件不易脫落，脫離的過程，使用較小外力便可脫附。
[0010]2、結(jié)構(gòu)扣件的結(jié)合和脫附過程均由溫度可逆控制，無需外力介入，也可用于遠程操控，可反復使用。
[0011]說明書附圖
圖1為形狀記憶環(huán)氧結(jié)構(gòu)扣件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為采用雙向形狀記憶環(huán)氧樹脂制備的“鉤”狀部分放大結(jié)構(gòu)示意圖(IXTs)；
圖3為采用雙向形狀記憶環(huán)氧樹脂制備的“鉤”狀部分放大結(jié)構(gòu)示意圖(T>Ts)；
圖4為結(jié)構(gòu)扣件扣緊示意圖；
圖5為結(jié)構(gòu)扣件脫附示意圖；
圖6為使用增強纖維布固定層壓材料結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為纖維布固定法制備層壓雙向形狀記憶材料示意圖；
圖8為纖維布增強固定法制備結(jié)構(gòu)扣件“鉤”部分示意圖(KTs)；
圖9為纖維布增強固定法制備結(jié)構(gòu)扣件“鉤”部分示意圖(T>Ts)。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限如此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0013]【具體實施方式】一:本實施方式中，所述形狀記憶環(huán)氧結(jié)構(gòu)扣件為“環(huán)-鉤”緊扣件，其由“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分兩部分組成，“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分相對設(shè)置，所述“環(huán)”狀部分由環(huán)和基底組成，基底上均勻分布有若干個環(huán)，所述“鉤”狀部分由鉤和可加熱基底組成，可加熱基底上均勻分布有若干個可與“環(huán)”狀部分的環(huán)搭扣連接的鉤，所述鉤的材質(zhì)為使用層壓法制備而成的由形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層組成的雙向形狀記憶層壓材料。本實施方式按照如下步驟制備上述形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件:
(I)按照ZL200710072431.9的方法制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系。
[0014]制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系時，通過環(huán)氧樹脂與固化劑比例可以控制材料的Tg，從而控制形狀記憶溫度。同時，對交聯(lián)度也有一定的改變，影響經(jīng)過形狀記憶改變前后材料的模量變化。對于固化劑與環(huán)氧樹脂配方控制有如下選擇:
a、一般情況下，Tg與形狀記憶的轉(zhuǎn)變溫度相近，所以盡量將Tg控制在緊固件使用的溫度范圍內(nèi)(使用的溫度條件、加熱器的溫度限制)。
[0015]b、經(jīng)過DMA測試，交聯(lián)密度不易過高，如果交聯(lián)密度過高，當材料處于高彈態(tài)的時候，分子鏈的移動受到交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的制約，模量仍較高，難以折疊變形，同時轉(zhuǎn)變前后模量相差較小，材料的形狀固定率會下降(一般要求經(jīng)過玻璃化轉(zhuǎn)變后，材料的模量變化在IO2數(shù)量級以上)。
[0016]C、經(jīng)過DMA測試，交聯(lián)密度不易過低，如果交聯(lián)密度過低，在形狀轉(zhuǎn)變的過程中，會影響到材料的回復率。轉(zhuǎn)變后材料難以向初始形狀轉(zhuǎn)變，影響其形狀記憶性能。
[0017]d、形狀記憶層材料的模量應該與無形狀記憶層的模量相適應。在形狀記憶層轉(zhuǎn)變時，材料的模量會有突躍式的變化，而無形狀記憶層的模量變化是線性的(隨著溫度的升高，模量逐漸降低)，形狀記憶層升高溫度時形狀記憶層模量下降較慢，此時模量較高，形狀記憶層會帶動無形狀記憶層進行形狀的變化。降溫時形狀記憶層模量升高較慢，無形狀記憶層模量較高，無形狀記憶層會帶動形狀記憶層進行形狀的變化。
[0018](2)將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系加熱至形狀記憶溫度以上，進行鉤狀彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶環(huán)氧層邊緣纏緊，作為無形狀記憶環(huán)氧層固化的模具。
[0019](3)將剛混合均勻的用于制備無形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑均勻地倒在形狀記憶環(huán)氧層的上方，在固化條件下制備無形狀記憶環(huán)氧層，即得到雙向形狀記憶層壓材料。
[0020]制備無形狀記憶環(huán)氧層時，在材料的使用范圍內(nèi)，模量應處于線性變化，也就是說，材料的Tg不能在此范圍內(nèi)，材料Tg高于形狀記憶環(huán)氧層；并且形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層兩層厚度應盡量保持一致。
[0021](4)將雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，均勻分布在可加熱的基底上，組成“鉤”狀部分；
(5)將環(huán)均勻分布在基底材料上，組成“環(huán)”狀部分。
[0022]【具體實施方式】二:本實施方式按照如下步驟制備形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件:
(I)形狀記憶環(huán)氧層的制備將15.17g-20.23g對，對'-二氨基-二苯甲烷固化劑置于104 °〇溫度下加熱并熔化，并與同溫度下的IOOg環(huán)氧樹脂E51混合，用恒溫磁力攪拌器在80°C攪拌20min使之混合均勻，體系固化條件為:80°C X2.4h+150°C X1.8h。在固化條件下把樹脂體系模壓成型成樹脂模壓件。
[0023]其中環(huán)氧樹脂除E51外，可以采用市售的各種環(huán)氧樹脂；固化劑除對，對'-二氨基-二苯甲烷外，只要能和環(huán)氧樹脂之間起化學反應生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的常用固化劑均可以使用，如胺類固化劑、酸酐類固化劑、咪唑類固化劑等。
[0024]( 2)無形狀記憶環(huán)氧層的制備
與形狀記憶環(huán)氧層制備過程相似，無形狀記憶環(huán)氧層固化劑加入量較高，使環(huán)氧樹脂完全固化，使得無形狀記憶環(huán)氧層的Tg至少高于形狀記憶環(huán)氧層的Tg30°C，材料的使用范圍與材料的模量相關(guān)聯(lián)使用的起始與結(jié)束溫度應為兩層材料相互作用力相等時候所對應的溫度點，在升溫和降溫的過程中材料都會到達一個力穩(wěn)態(tài)也就是兩層相互作用力相等，沒有相互力的遷移的時候，具體溫度需要用實驗進行測試，模量沒有較大的變化。具體過程如下:將26.28g對，對'-二氨基-二苯甲烷固化劑置于104 °C溫度下加熱并熔化，并與同溫度下的IOOg環(huán)氧樹脂混合，用恒溫磁力攪拌器在80°C攪拌20min使之混合均勻，待用。將模壓成型后的形狀記憶環(huán)氧層加熱至形狀記憶溫度以上，進行彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶層邊緣纏緊，作為無形狀記憶層固化的模具，將剛混合均勻的環(huán)氧樹脂均勻地倒在形狀記憶層的上方，體系固化條件為:80°C X3h+150°C X3h。在固化條件下把樹脂體系模壓成型成樹脂模壓件。
[0025]其中環(huán)氧樹脂除E51外，可以采用市售的各種環(huán)氧樹脂；固化劑除對，對'-二氨基-二苯甲烷外，只要能和環(huán)氧樹脂之間起化學反應生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的常用固化劑均可以使用，如胺類固化劑、酸酐類固化劑、咪唑類固化劑等。
[0026](3)雙向形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件制備
形狀記憶環(huán)氧結(jié)構(gòu)扣件由兩部分組成，分別為“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分，鉤的形狀可以變形為彎鉤形，硬挺的鉤子很容易鉤住柔軟的環(huán)而起搭扣作用。其中經(jīng)過固化后的雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，均勻分布在可加熱的基底材料上組成“鉤”狀部分?！碍h(huán)”狀部分材料可以采用尼龍制備成需要的形狀和尺寸，均勻分布在基底材料上，制備后示意圖如圖1所示，“鉤”狀部分放大圖如圖2-3所示。
[0027]當需要結(jié)構(gòu)扣件扣緊時，可對結(jié)構(gòu)扣件“鉤”狀部分加熱，當溫度大于形狀記憶溫度時，“鉤”狀部分進行伸直變形，并與“環(huán)”狀部分充分接觸，之后將溫度降低至形狀記憶溫度以下，“鉤”狀部分彎曲，充分與“環(huán)”狀部分扣緊。如圖4所示。
[0028]當結(jié)構(gòu)扣件脫附時，對結(jié)構(gòu)扣件“鉤”狀部分升溫，當溫度大于形狀記憶溫度時，“鉤”狀部分進行伸直變形，與“環(huán)”狀部分脫附。如圖5所示。
[0029] 【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】二不同的是，采用復合材料纖維布增強的方法固定形狀記憶環(huán)氧層以及無形狀記憶環(huán)氧層，將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑按照以上配方調(diào)制均勻后，倒入模具，將增強纖維布豎立浸潰其中，按照【具體實施方式】二中的固化制度進行固化，如圖6所示。
[0030]將固化后的形狀記憶環(huán)氧樹脂體系從模具中脫出，加熱至形狀記憶溫度以上后彎曲，降溫后將材料形狀固定，在上層進行無形狀記憶環(huán)氧層的二次固化，制備出雙向形狀記憶層壓材料，如圖7所示。
[0031]將制備好的雙向形狀記憶材料經(jīng)過機械剪裁成所需尺寸，均勻分布在基底材料上，如圖8-9所示。
[0032]在本實施方式中的增強纖維布可采用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維和其他有機纖維，如 PBO, Vectran, Spetra 等。
【權(quán)利要求】
1.一種形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件，由“環(huán)”狀部分和“鉤”狀部分組成；其特征在于所述“鉤”狀部分中，鉤的材質(zhì)為由形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層制備而成的雙向形狀記憶層壓材料，其中無形狀記憶環(huán)氧層的Tg高于形狀記憶環(huán)氧層的Tg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件，其特征在于所述形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層之間通過增強纖維布進行固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件，其特征在于所述增強纖維布垂直于形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件，其特征在于所述增強纖維布為玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、PBO> Vectran、Spetra。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件，其特征在于所述無形狀記憶環(huán)氧層的Tg至少高于形狀記憶環(huán)氧層Tg30°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件，其特征在于所述形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層的厚度一致。
7.—種權(quán)利要求1所述形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下: (O制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系； (2 )將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系加熱至形狀記憶溫度以上，進行鉤狀彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶環(huán)氧層邊緣纏緊，作為無形狀記憶環(huán)氧層固化的模具； (3)將剛混合均勻的用于制備無形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑均勻地倒在形狀記憶環(huán)氧層的上方，在固化條件下制備無形狀記憶環(huán)氧層，即得到雙向形狀記憶層壓材料； (4)將經(jīng)過固化后的雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，均勻分布在可加熱的基底上，組成“鉤”狀部分； (5)將環(huán)均勻分布在基底材料上，組成“環(huán)”狀部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件的制備方法，其特征在于采用復合材料纖維布增強的方法固定形狀記憶環(huán)氧層以及無形狀記憶環(huán)氧層，具體方法如下: 將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑調(diào)制均勻后，倒入模具，將增強纖維布豎立浸潰其中，然后進行固化；將固化后的形狀記憶環(huán)氧樹脂體系從模具中脫出，加熱至形狀記憶溫度以上后彎曲，降溫后將材料形狀固定，在上層進行無形狀記憶環(huán)氧層的二次固化，制備出雙向形狀記憶層壓材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件的制備方法，其特征在于所述增強纖維布為玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、PBO> Vectran、Spetra。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的形狀記憶可反復使用的結(jié)構(gòu)扣件的制備方法，其特征在于所述形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層的厚度一致。
【文檔編號】F16B45/00GK103470609SQ201310434908
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】劉宇艷, 呂通, 李日旭, 孫星卉, 謝志民, 譚惠豐 申請人:哈爾濱工業(yè)大學