[发明专利]一种双向致动形状记忆聚合物及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双向致动形状记忆聚合物及其制备方法。本发明将端基功能化的高熔点半晶态聚合物和低熔点半晶态聚合物在光引发剂和交联剂的作用下通过自由基聚合制备得到具有双嵌段结构的交联网络，其中端基功能化通过高/低熔点半晶态聚合物在有机溶剂中与有机碱和丙烯酰基供体反应实现，所制备的聚合物能够实现在不同温度下的两个临时形状的循环记忆，本发明提供的制备方法简单，且聚合物的双向致动效果显著，不仅具有较快的形状回复速率，且较低的循环响应温度赋予其更长的使用寿命，拓展了应用范围。

技术领域

本发明涉及形状记忆聚合物及柔性致动材料技术领域，尤其涉及一种双向致动形状记忆聚合物及其制备方法。

背景技术

人工肌肉(Artificial muscles)是一种收缩和伸展特性类似于人体肌肉纤维，且能够将热能、电能或化学能等转换成机械行为的新型智能仿生材料。高性能人工肌肉的研发将大大推动小巧、强劲、灵活的机器人、假肢、微电机等技术的发展。针对人工肌肉应用场景的转变与需求的发展，国内外研究者们利用聚合物的特点开发了不同类型的人工肌肉并从致动系统、刺激条件、材料选择等方面开展了一系列研究。

McKibben人工肌肉是柔性致动器中最早的案例之一，此类气动人工肌肉可以实现大收缩和拉伸变形，但是需要较复杂的驱动系统以及大的驱动空间，难以在微纳工程以及生物医学等领域得到应用(Sci.Robot,2020.5(41):eaaz4239)；电化学离子驱动具有驱动电压低、易于精确控制等优点，Manuel Brinker等人提出了一种纳米多孔硅-聚吡咯杂化材料来实现强力电化学致动和高响应速率，但需在离子液体系统中完成(Sci.Adv.2020.6(40):eaba1483.)。电场驱动的电活性聚合物如介电弹性体(DEA)可在电压作用下实现快速驱动，Alex Chortos等人利用3D打印制备的DEA器件获得最大9％的致动应变，但需电压达到千伏级别(Adv.Funct.Mater.2020.30(1):1907375.)，很难作为肌肉样纤维展开；液压驱动材料如Hyunwoo Yuk等人制备的水凝胶，虽可实现致动速度小于1秒，但需20KPa的液压条件(Nat.Commun.2017.8(1):14230)，由此可见，此两类材料的实际服役环境比较特殊。

相比而言，热刺激是一种相对灵活、易于实现的刺激施加方式。如利用液晶弹性体在温度变化中的可逆相变，Owies M.Wani等人模仿天然捕蝇草实现毫秒级响应的光热致动(ACS Appl.Mater.Interfaces,2018.10(9):8307-8316.)，但缺点是致动应力只有300μN，无法满足实际应用场景中的力学需求。可见在同步实现快速响应与完善的致动性能上仍然具有很大挑战。致动后的回复能力也是控制整体致动性能的关键。大多数热响应致动材料在降温时发生回复，但其降温比升温更难控制(Adv.Mater.2017.29(4):1604734)。如Jiawen Chen等人通过层级超分子自组装获得分子致动器，使材料获得精确控制的致动形变与快速响应，但是回复时间却需要三个小时(Nat.Chem.2018.10(2):132-138。有效的降温方式如给材料贴附超薄可变形控温网格(Adv.Mater.2018.30(13):1706695.或内嵌微通道以供循环水流过(Adv.Mater.Technol.2019.4(1))等，但又会引入系统复杂性。

此外，在转变过程中拥有热焓变化的半晶高分子是另一种热敏性极强的聚合物，其内部晶体结构可通过宏观温度场，机械场等多重手段来调控，非常适用于热响应柔性致动和传感。申请人前期的工作之一即用以聚己内酯(PCL)为转变相的应力记忆聚合物薄膜开发柔性致动材料，其中厚度约为170微米，重量为0.06g的薄膜样品可以提起500g的砝码约2厘米，是它自身重量的8000倍，做功密度大于500J/Kg(Adv.Mater.Technol.2019:1900017)。

综上可以看出，不同类型的致动系统与材料选择各有优势与不足，或更多的注重快速响应但做功能力有限，或提升了回复速度但引入了复杂性等。