DE102007061343A1 - Formgedächtnis-Kompositmaterial mit magnetisch induzierbaren Dreiformeneigenschaften sowie Artikel aus dem Material - Google Patents

Formgedächtnis-Kompositmaterial mit magnetisch induzierbaren Dreiformeneigenschaften sowie Artikel aus dem Material Download PDF

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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C08L101/12Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) mit Dreiformeneigenschaft sowie einen aus dem Material (10) hergestellten Artikel (16). Das erfindungsgemäße Material (10) umfasst (a) ein Triple-Shape-Formgedächtnispolymer (12), das mindestens eine Sorte Vernetzungspunkte (NP) und mindestens zwei Schaltsegmente (A, B) umfasst, welche durch Phasensegregation jeweils eine Schaltphase mit jeweils einer Übergangstemperatur (Ttr,A, Ttr,B) ausbilden, so dass das Polymer (12) nach einer thermo-mechanischen Programmierung in Abhängigkeit von seiner Materialtemperatur neben einer permanenten Form mindestens zwei temporäre Formen einnehmen kann, sowie (b) zumindest ein in das Formgedächtnispolymer (12) eingebettetes magnetisches Material (14), einen Artikel (10) aus einem Formgedächtnis-Kompositmaterial (12), welches ein Formgedächtnispolymer (14) sowie ein in dieses eingebettetes magnetisches Material (16) umfasst, wobei das Formgedächtnispolymer (14) nach einer thermo-mechanischen Programmierung in der Lage ist, temperaturinduziert zumindest einen Formenübergang von einer temporären Form in eine permanente Form zu vollziehen; sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verfahren zum Abrufen gespeicherter Formen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Formgedächtnis-Kompositmaterial mit Dreiformeneigenschaften, das nach einer thermo-mechanischen Programmierung in der Lage ist, magnetfeldinduziert von einer programmierten temporären Form in eine weitere programmierte temporäre Form und von dort in seine permanente Form überzugehen. Die Erfindung betrifft ferner einen aus dem Formgedächtnis-Kompositmaterial hergestellten Artikel.
  • Im Stand der Technik sind so genannte Formgedächtnispolymere oder SMPs (shape memory polymers) bekannt, die bei Induktion durch einen geeigneten Stimulus einen Formübergang von einer temporären Form in eine permanente Form entsprechend einer vorherigen Programmierung zeigen. Am häufigsten ist dieser Formgedächtniseffekt thermisch stimuliert, das heißt, bei Erwärmung des Polymermaterials über die definierte Schalttemperatur findet die durch Entropieelastizität angetriebene Rückstellung statt. Formgedächtnispolymere sind in der Regel Polymernetzwerke, bei denen chemische (kovalente) oder physikalische (nicht kovalente) Vernetzungsstellen die permanente Form bestimmen. Die Programmierung erfolgt, indem oberhalb der Übergangstemperatur einer von einem Schaltsegment gebildeten Phase (= Schaltphase) das Polymermaterial deformiert und anschließend unter Aufrechterhaltung der Deformationskräfte unter diese Temperatur abgekühlt wird, um die temporäre Form zu fixieren. Erneute Erwärmung oberhalb der Schalttemperatur führt zu einem Phasenübergang und Wiederherstellung der ursprünglichen permanenten Form. (Da die Schalttemperatur Tsw im Gegensatz zur Übergangstemperatur Ttr von der mechanischen Bewegung abhängt, welche die makroskopische Formveränderung definiert, können beide Temperaturen geringfügig voneinander abweichen.)
  • Neben diesen Zweiformenkunststoffen ("dual-shape polymers"), die neben ihrer permanenten Form eine temporäre Form einnehmen können, sind inzwischen auch AB-Polymernetzwerke (so genannte Dreiformenkunststoffe oder "triele-shape polymers") beschrieben worden, die zwei aus verschiedenen Schaltsegmenten gebildete Phasen mit unterschiedlichen Übergangs- bzw. Schalttemperaturen aufweisen und dadurch in der Lage sind, neben ihrer permanenten Form zwei temporäre Formen in ihrem "Formgedächtnis" zu speichern (z. B. Bellin et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2006 103(48): 18043–18047 oder WO 99/42528 A ).
  • Diese Dreiformenkunststoffe weisen grundsätzlich mindestens zwei nicht-mischbare, segregierte Phasen mit jeweils einer Übergangstemperatur auf, so dass jede Phase für die Fixierung jeweils einer temporären Form genutzt werden kann. Dabei wird die permanente Form durch kovalente Vernetzungsstellen des Polymernetzwerkes festgelegt, während die beiden temporären Formen durch einen thermomechanischen Programmierprozess definiert werden. Die Fähigkeit dieser Materialien, temperaturinduziert zwei aufeinander folgende Formenübergänge zu vollziehen, nämlich von einer ersten temporären Form in eine zweite temporäre Form und von dort in die permanente Form, ermöglicht komplexe Bewegungen und eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Medizin.
  • Weiterhin ist die magnetisch stimulierte Auslösung eines Formenüberganges bekannt. Dabei kommen Formgedächtnis-Kompositmaterialien zum Einsatz, die eine Matrix eines Zweiformenpolymers sowie in dieses eingebettete magnetische Partikel umfassen. Bei dem Formgedächtnispolymer handelt es sich um ein thermisch stimulierbares SMP mit der Fähigkeit, nach einer thermo-mechanischen Programmierung temperaturinduziert einen Formenübergang zu vollziehen. Unter Einwirkung eines magnetisches Wechselfeldes kommt es zu einem induktiven Aufheizen der magnetischen Partikel und somit des umgebenden SMP, so dass dieses seine Schalttemperatur erreicht und der Übergang von der zuvor programmierten temporären Form in die permanente Form ausgelöst wird.
  • Beispielsweise beschreiben Mohr et al. (Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2006, 103(10): 3540–3545) entsprechende Kompositmaterialien aus Formgedächtnispolymeren mit eingebetteten magnetischen Nanopartikeln. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis (O/V) und der bei einem gegebenen Magnetfeld maximal erreichbaren Materialtemperatur Tmax beschrieben. Zudem wird der Einfluss des Nanopartikelgehaltes der Kompositmaterialien auf Tmax diskutiert.
  • In WO 2005/042142 A2 werden Formgedächtnis-Kompositmaterialien beschrieben, die eine Formgedächtnispolymermatrix sowie darin eingebettete magnetische und/oder metallische Kolloide umfassen. Ausgelöst durch ein äußeres Magnetfeld erfolgt eine induktive Erwärmung der Kolloidpartikel und somit des umgebenden Polymermaterials, welches eine physikalische Strukturveränderung, insbesondere einen Relaxationsprozess induziert, der zu einer Veränderung der geometrischen Form und letztlich zu einer Freisetzung eines pharmakologischen Wirkstoffes führt. Auch aus US 2005/0212630 A1 ist ein Formgedächtnis-Komposit bekannt, das eine Formgedächtnispolymermatrix sowie darin eingebettete magnetische Partikel um fasst. Auch dieses System ist somit in der Lage, magnetisch induzierte Formenübergänge zu vollführen.
  • Die somit eröffnete Möglichkeit der Steuerung des thermisch induzierten Formgedächtniseffektes durch alternierende Magnetfelder ist insbesondere für medizinische Anwendungen interessant, wo die herkömmliche externe Wärmezufuhr physiologisch oft unverträglich ist. Allerdings erfordern zahlreiche Anwendungen komplexe Formänderung, insbesondere auch solche, welche die sequentielle Abfolge von mehreren Formen umfassen. Dies ist derzeit nicht nach dem Prinzip der magnetischen Stimulation möglich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Material mit magnetisch stimulierbarem Formgedächtniseffekt bereitzustellen, das mehr als einen magnetisch induzierten Formenübergang vollziehen kann. Der Gegenstand sollte ferner möglichst einfach herstellbar sein.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Formgedächtnis-Kompositmaterial mit Dreiformeneigenschaften mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Material umfasst.
    • (a) ein Triele-Shape-Formgedächtnispolymer, das mindestens eine Sorte Vernetzungspunkte (NP) und mindestens zwei Schaltsegmente (A, B) umfasst, welche durch Phasensegregation jeweils eine Schaltphase mit jeweils einer Übergangstemperatur (Ttr,A, Ttr,B) ausbilden, so dass das Polymer nach einer thermo-mechanischen Programmierung in Abhängigkeit von seiner Materialtemperatur neben einer permanenten Form mindestens zwei temporäre Formen einnehmen kann, sowie
    • (b) zumindest ein in das Formgedächtnispolymer eingebettetes magnetisches Material.
  • Bei dem Formgedächtnispolymer handelt es sich um einen Dreiformenkunststoff mit thermisch stimulierbarem Formgedächtniseffekt. Das heißt es ist in der Lage, temperaturindiziert zumindest zwei Formenübergänge, nämlich von einer thermo-mechanisch programmierten temporären Form in eine programmierte weitere temporäre Form und schließlich in eine permanente Form zu vollziehen. Dabei wird mit dem Begriff Schaltsegment ein Kettensegment des Polymernetzwerkes bezeichnet, welches eine Schaltphase bildet. Die Schaltphase bildet sich durch Phasenentmischung (Segregation) von verschiedenen Kettensegmenten des Polymernetzwerkes im Festkörper aus und trägt damit entscheidend zur Ausbildung der typischen Morphologie des Materials bei. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Polymer netzwerk als Ganzes Materialeigenschaften aufweist, die den jeweiligen Schaltphasen zugeordnet werden können, insbesondere zwei oder mehrere unterschiedliche Übergangs- bzw. Schalttemperaturen für den thermisch-induzierten Effekt, bei denen es sich unabhängig voneinander um Glasübergangs- oder Schmelztemperaturen handeln kann.
  • Bei dem magnetischen Material kommt es auf seine Fähigkeit an, mit einem magnetischen Wechselfeld so zu Wechselwirken, dass es zu seiner Erwärmung kommt. Das magnetische Material ist somit über ein alternierendes Magnetfeld induktiv aufheizbar, so dass bei sukzessiver Verstärkung des Magnetfeldes eine sequentielle Erwärmung des Polymermaterials über die Schalttemperaturen seiner Schaltphasen erfolgt, wodurch die sequentielle, zumindest zweistufige Formrückstellung induziert wird. Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich mithin dadurch aus, dass es die Fähigkeit von Dreiformenkunststoffen zu komplexen mehrstufigen Formenübergängen mit der Möglichkeit der magnetischen Stimulation bei Umgebungstemperatur kombiniert.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Formgedächtnispolymer eine physikalisch oder kovalent vernetzte AB-Netzwerkarchitektur auf, bei dem die die Schaltphasen bildenden Schaltsegmente (A, B) mit ihren beiden Kettenenden kovalent im Polymernetzwerk gebunden vorliegen. Beispielsweise kann eines der Schaltsegmente beidseitig an einem aus dem anderen Segment oder unter dessen Beteiligung gebildeten Rückgrad gebunden vorliegen, wobei die Anknüpfungspunkte die Vernetzungspunkte definieren. Denkbar ist ebenfalls, dass zwei oder mehr Schaltsegmente lineare Ketten ausbilden, die wiederum vernetzt sind.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist das Formgedächtnispolymer eine physikalisch oder kovalent vernetzte Seitenketten-Netzwerkarchitektur auf, bei dem eines der Schaltsegmente (A, B) in Form freier Seitenketten vorliegt, welche an einem unter Beteiligung des anderen Schaltsegments gebildeten Polymerrückgrad einseitig gebunden sind, während das andere Ende frei ist.
  • Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist das Formgedächtnispolymer eine physikalisch vernetzte Netzwerkstruktur auf bei dem die Schaltphasen bildenden Schaltsegmente jeweils kovalent an unterschiedliche Segmente gebunden sind, die jeweils ein physikalisch gebundenes Polymernetzwerk aufbauen, so dass ein System mit drei Phasen entsteht. Ein solches Drei-Phasensystem kann z. B. durch Polymerblends erhalten werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Formgedächtnispolymer eine Kombination von kovalenter und physikalischer Vernetzung auf. Eine mögliche Kombination sind z. B. kovalente Netzpunkte und zwei Phasen mit physikalischer Vernetzung. Ein solches Netzwerk kann dargestellt werden, indem in Gegenwart eines bereits bestehenden, physikalisch vernetzten Polymernetzwerks, das die die erste Schaltphase bildenden Schaltsegmente A enthält, ein Precursor mit den die zweite Schaltphase bildenden Schaltsegmenten B eingebracht und zur Polymerisation gebracht wird. Während seiner Entstehung durchdringt das sich bildende, die Schaltsegmente B enthaltende zweite Netzwerk das bestehende Netzwerk mit den Schaltsegmenten A – jedoch nicht umgekehrt. Ein solches System wird semi-interpenetrierendes Netzwerk (semi-IPN) genannt. Alternativ kann ein solches Netzwerk in Form zweier sich gegenseitig durchdringender Netzwerke (interpenetrierendes Netzwerk, IPN) vorliegen. Ein IPN kann durch gleichzeitige Polymerisation von mindestens zwei Sorten Precursorn dargestellt werden, die jeweils ein eigenes Netzwerk ausbilden, welche sich während der Polymerisation gegenseitig durchdringen. Hierbei weist jedes Schaltsegment eine eigene Charakteristik der kovalenten Verknüpfung auf, die chemisch voneinander unabhängig ist, so dass beide entstehenden Netzwerke sich gegenseitig durchdringen.
  • Bei den kovalent oder physikalisch vernetzten Netzwerken mit mehreren Schaltphasen ist die Dreiformeneigenschaft unabhängig von der Herstellung der Netzwerke. Die Netzwerke können beispielsweise durch Polymerisation geeigneter Polymere, etwa von Acrylaten und/oder Methacrylaten, dargestellt werden. Ebenfalls ist die Herstellung durch Polyaddition von endgruppenfunktionalisierten Oligomeren möglich, insbesondere durch Polyaddition von hydroxytelechelen Oligomeren mit Isocyanaten zu Copolyesteruerethan-Netzwerken.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen aus dem erfindungsgemäßen Kompositmaterial hergestellten Artikel. Bei dem Artikel kann es sich um einen beliebigen Gegenstand beliebiger Form handeln, insbesondere um einen Artikel aus dem medizinischen Bereich, etwa eine Gefäßstütze (Stent), ein Nahtmaterial oder dergleichen. Weitere Anwendungsgebiete betreffen Sensoren für Magnetfelder, oder magnetisch induziert schaltbare Schalter oder Ventile oder dergleichen.
  • Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung weist der Artikel zumindest zwei, unmittelbar oder mittelbar miteinander verbundene Abschnitte auf, die sich durch ein unterschiedliches Oberflächen-Volumen-Verhältnis O/V unterscheiden. Diese besondere geometrische Gestaltung des Artikels macht sich den Umstand zunutze, dass Körper aus einem Formgedächtnis-Kompositmaterial mit unterschiedlichem O/V in einem gegebenen magnetischen Wechselfeld unterschiedliche Materialtemperaturen erreichen. Insbesondere ist die maximal erreichbare Materialtemperatur eines geometrischen Körpers umso geringer, je größer seine Oberfläche im Verhältnis zum Volumen ist. Dies ist auf den verhältnismäßig größeren Wärmeübergang an die Umgebung gegenüber einem Körper mit kleinerem O/V zurückzuführen. Durch das Vorhandensein mehrerer Teilabschnitte innerhalb des Artikels mit unterschiedlichem O/V gelingt es, die Wärmetransportprozesse im Bauteil unter Zusammenwirkung mit der Umgebung so zu nutzen, dass derjenige Abschnitt mit dem kleinsten O/V in einem geeigneten magnetischen Wechselfeld die zur Formrückstellung (Schaltung) erforderliche Materialtemperatur erreicht und ein Abschnitt mit größerem O/V nicht. Erst nach weiterer Erhöhung der Magnetfeldstärke und/oder der -frequenz erreicht auch der Teilabschnitt mit dem größeren O/V die zur Formrückstellung erforderliche Materialtemperatur und vollzieht den zuvor programmierten Formübergang. So lassen sich ohne Erhöhung der Umgebungstemperatur mehrere Formen nacheinander abrufen, indem das äußere Magnetfeld sukzessive verstärkt wird, wodurch die Formenübergänge der einzelnen Teilabschnitte getrennt voneinander zeitversetzt geschaltet werden. Auf diese Weise können örtlich getrennte Teilabschnitte des Artikels isoliert voneinander geschaltet werden, wobei zunächst derjenige Abschnitt mit dem kleinsten O/V geschaltet wird und nachfolgend die anderen Abschnitte in der Reihenfolge ihrer O/V. Die Anzahl programmierbarer temporärer Formen wird somit einerseits durch die Anzahl der im Polymermaterial vorhandenen Schaltphasen und andererseits durch die Anzahl der Abschnitte mit unterschiedlichem Oberflächen-Volumen-Verhältnis bestimmt. Mit anderen Worten kann durch die Ausgestaltung des Artikels mit mehreren geometrischen Teilabschnitten mit unterschiedlichen O/V die Anzahl der programmierbaren Formenübergänge noch erhöht oder sogar multipliziert werden.
  • Dabei kann der Artikel einstückig aus einem homogenen Kompositmaterial hergestellt werden, das heißt alle Abschnitte mit unterschiedlichem O/V bestehen aus dem gleichen Material. Auf diese Weise ist der Artikel einheitlichen Materials einfach herstellbar, etwa im Spritzgussverfahren oder dergleichen.
  • In diesem Zusammenhang wird unter dem Begriff Abschnitt (oder Teilabschnitt) ein visuell unterscheidbarer Teilbereich des Artikels verstanden, dessen Grenzen nicht willkürlich verlaufen, sondern durch geometrische Gegebenheiten im Körper definiert sind. Insbesondere zeichnen sich die Abschnitte dadurch aus, dass ein Übergang von einem O/V eines Ab schnitts zu einem O/V eines anderen Abschnitts an ihrer Grenzfläche sprunghaft oder zumindest aber in Bezug zu einer Gesamtausdehnung des Artikels steil verläuft. Dabei wird unter „steil" ein Übergang zwischen zwei angrenzenden Oberflächen-Volumen-Verhältnissen verstanden, der sich über eine Länge von maximal 10% der Gesamtausdehnung des Artikels erstreckt.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die zumindest zwei Abschnitte des Artikels jeweils eine, in zumindest eine Raumrichtung konstante Materialstärke auf. So können bei einer flächigen Gestaltung des Artikels unterschiedliche Oberflächen-Volumen-Verhältnisse allein durch unterschiedliche Materialstärken der Abschnitte realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Maßnahme ist von Vorteil, wenn die zumindest zwei Abschnitte jeweils ein, bezüglich zumindest einer Raumrichtung, insbesondere einer Längserstreckung der Abschnitte, konstantes O/V aufweisen. Durch das Vorliegen eines konstanten Oberflächen-Volumen-Verhältnisses innerhalb eines Abschnittes wird erreicht, dass bei Aussetzung des Artikels einem bestimmten Magnetfeld eine örtlich gleichmäßige Wärmeabfuhr in die Umgebung und damit eine homogene Materialtemperatur innerhalb des Abschnittes erzielt wird. Somit wird, wenn diese Materialtemperatur die Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers überschreitet, eine kooperativ verlaufende Formrückstellung im gesamten Abschnitt bewirkt.
  • Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberflächen-Volumen-Verhältnisse der unterschiedlichen Abschnitte des Artikels sich durch einen Faktor von mindestens 1,2, insbesondere von mindestens 1,5, unterscheiden. Noch vorteilhafter ist ein Unterschied durch einen Faktor von mindestens 2. Auf diese Weise werden ausreichend große Unterschiede der notwendigen Magnetfeldstärken und/oder -frequenzen sichergestellt, die zur Schaltung der jeweiligen Abschnitte erforderlich sind. Aus dem gleichen Grund ist bevorzugt vorgesehen, dass die zumindest zwei Abschnitte so gewählt sind, dass ihre Oberflächen-Volumen-Verhältnisse eine Differenz einer in einem gegebenen Magnetfeld maximal erreichbaren Materialtemperatur von mindestens 10 K, insbesondere von mindestens 15 K, noch vorteilhafter von mindestens 20 K, aufweisen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Abschnitte des Artikels nicht unmittelbar miteinander verbunden sind, sondern mittelbar durch einen zwischengeschalteten thermisch isolierenden Abschnitt. Dieser kann beispielsweise durch ein möglichst großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und damit verbunden eine große Wärmeabführrate in die Umgebung gekennzeichnet sein, wobei das O/V des thermischisolierenden Abschnittes mindestens dem O/V desjenigen Abschnitts mit dem größeren O/V der beiden entspricht, insbesondere um mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20%, größer ist als dieser.
  • Das erfindungsgemäße Kompositmaterial kann mit einem zweistufigen Verfahren programmiert werden, das die Schritte umfasst:
    • a) Bereitstellen des erfindungsgemäßen Formgedächtnis-Kompositmaterials in seiner permanenten Form (PF),
    • b) Programmieren einer ersten temporären Form (TF1) durch Deformation des Materials in eine der ersten temporären Form entsprechende Form bei einer Materialtemperatur oberhalb der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 und anschließende Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der oberen Übergangstemperatur Tre,1 unter Fixierung der ersten temporären Form und
    • c) Programmieren einer zweiten temporären Form (TF2) durch Deformation des Materials bei einer Materialtemperatur oberhalb der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 und unterhalb der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 und anschließende Abkühlung unterhalb der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 unter Fixierung der zweiten temporären Form.
  • Lassen sich aufgrund einer entsprechenden Anzahl von Schaltsegmenten im SMP mehr als zwei temporäre Formen fixieren, so schließen sich weitere analoge Programmierschritte an. Beispielsweise können bei zwei Schaltsegmenten vier oder fünf Formen realisiert werden.
  • Dabei kann in Schritt b) die Temperatur, auf welcher nach der Deformation abgekühlt wird, zwischen den beiden Übergangstemperaturen Ttr,1 und Ttr,2 liegen oder unterhalb der unteren Übergangstemperatur Ttr,2. Im letzteren Fall muss das Material somit in Schritt c) vor der Deformation erneut auf eine Temperatur oberhalb der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 aber unterhalb der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 erwärmt werden.
  • Eine alternative Möglichkeit zur Programmierung der temporären Formen besteht in einem Einschritt-Verfahren, das in der älteren Anmeldung DE 10 2007 010 564.0 näher beschrieben ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • a) Bereitstellen des erfindungsgemäßen Formgedächtnis-Kompositmaterials in seiner permanenten Form (PF),
    • b) Deformation des Formgedächtnispolymers in eine der ersten temporären Form entsprechende Form bei einer Temperatur oberhalb der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 und anschließende Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 unter Fixierung der ersten temporären Form.
  • Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Verfahren, bei dem die Programmierung zweischrittig erfolgt, weist das Einschritt-Programmierverfahren lediglich einen Schritt auf, in welchem die Abkühlung in einem Schritt über beide Übergangstemperaturen hinweg erfolgt. Ergebnis des Programmierverfahrens ist ein Dreiformenkunststoff, der in einer ersten temporären Form vorliegt und neben seiner, durch die Vernetzungsstellen definierten permanenten Form eine zweite temporäre Form in seinem Formengedächtnis gespeichert aufweist. Durch anschließende sequentielle Erwärmung in einem magnetischen Wechselfeld über die beiden Schalttemperaturen der Schaltsegmente, die aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Formenübergang geringfügig von den entsprechenden Übergangstemperaturen abweichen können, werden ausgehend von der ersten temporären Form nacheinander zunächst die zweite temporäre Form und anschließend die permanente Form wiederhergestellt. Auch nach der einschrittigen Programmierung wird eine reproduzierbare Einstellung der zweiten temporären Form während der (graduellen oder stufenweisen) Erwärmung beobachtet, ohne dass bei diesem Verfahren jedoch eine solche durch einen definierten Formenstress während des Programmierens aufgezwungen wird.
  • Bei kovalent vernetzten Polymeren erfolgt in beiden Programmierverfahren die Bereitstellung der permanenten Form in Schritt a) während der Polymerisation des Polymers und wird durch die Vernetzungspunkte definiert. Im Falle von Thermoplasten wird die permanente Form durch geeignete Prozessverarbeitungsschritte nach der Polymerisation erzeugt, etwa im Spritzgussverfahren, wobei das über den Schmelzpunkt erwärmte Polymer in ein formgebendes Werkzeug gespitzt wird und dort erstarrt. In beiden Fällen kann die permanente Form durch mechanische und/oder thermomechanische Bearbeitung des Kunststoffteils nachträglich verändert werden.
  • Alternativ zu den oben dargestellten Verfahrensweisen können die Deformationen in den einzelnen Verfahrensschritten auch unterhalb der jeweiligen Übergangstemperatur durch kaltes Verstrecken erfolgen. In weiterer Abwandlung der Programmierverfahren kann unter halb der jeweiligen Übergangstemperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur, ein geeigneter Weichmacher in das Polymermaterial eingebracht werden, so dass die Übergangstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur sinkt und das Material dann bei Umgebungstemperatur deformiert wird. Anschließend wird der Weichmacher wieder aus dem Material entfernt, beispielsweise durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel, wodurch die programmierten temporären Formen fixiert werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abrufen von gespeicherten Formen eines nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren programmierten Materials mit den Schritten:
    • (a) Aussetzung des (in der zweiten temporären Form TF2 vorliegenden) Materials einem ersten magnetischen Wechselfeld (M1), das geeignet ist, die Materialtemperatur auf eine Temperatur oberhalb der unteren Schalttemperatur Tsw,2 des Formgedächtnis-Kompositmaterials zu erwärmen, wobei das Material von der zweiten temporären Form TF2 in die erste temporäre Form TF1 übergeht, und
    • (b) Aussetzung des Materials einem zweiten magnetischen Wechselfeld (M2), das geeignet ist, die Materialtemperatur auf eine Temperatur oberhalb der oberen Schalttemperatur Tsw,1 des Formgedächtnis-Kompositmaterials zu erwärmen, wobei das Material einen zweiten Formenübergang vollzieht und der Artikel von der ersten temporären Form TF1 die permanente Form PF übergeht.
  • Dabei kann der Übergang von dem ersten magnetischen Wechselfeld zu dem zweiten magnetischen Wechselfeld durch schrittweise oder kontinuierliche Erhöhung der Magnetfeldstärke und/oder -frequenz erfolgen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigten:
  • 1 schematisch das erfindungsgemäße Formgedächtnis-Kompositmaterial;
  • 2a Struktur eines Triele-Shape-Formgedächtnispolymers mit kovalent vernetzter AB-Netzwerkarchitektur;
  • 2b Struktur eines Triele-Shape-Formgedächtnispolymers mit kovalent vernetzter Seitenketten-Netzwerkarchitektur;
  • 3 ein erstes Beispiel eines Artikels aus einem erfindungsgemäßen Formgedächtnis-Kompositmaterial und Verfahrensstufen seiner Programmierung; und
  • 4 ein Beispiel eines Artikels aus einem erfindungsgemäßen Formgedächtnis-Kompositmaterial gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes insgesamt mit 10 bezeichnetes Formgedächtnis-Kompositmaterial. Das Material 10 besteht einerseits aus einer Matrix eines Formgedächtnispolymers (SMP) mit thermisch induzierbaren Dreiformeneigenschaften, d. h. einem so genannten Triele-Shape-Formgedächtnispolymer 12. Ferner weist das Kompositmaterial 10 ein, in das Polymer 12 eingebettetes magnetisches Material 14 auf.
  • Bei dem Dreiformen-Gedächtnispolymer 12 handelt es sich um ein vernetztes Polymernetzwerk mit thermisch induzierbarem Formgedächtniseffekt. Die Netzwerkbildung kann dabei durch kovalente Bindungen realisiert sein oder durch physikalische Wechselwirkungen, beispielsweise elektrostatische Effekte. Durch die Vernetzungspunkte wird die permanente Form fixiert. Neben den Vernetzungspunkten umfasst das Polymernetzwerk zumindest zwei Sorten eines Schaltsegments, welche durch Phasensegregation jeweils eine Schaltphase mit jeweils einer Übergangstemperatur ausbildet, etwa eine Kristallisations- oder Glasübergangstemperatur. Die segregierten Schaltphasen erlauben die Fixierung jeweils einer temporären Form, so dass das Polymer 12 nach einer thermo-mechanischen Programmierung in Abhängigkeit von seiner Materialtemperatur neben der permanenten Form mindestens zwei temporäre Formen einnehmen kann. Im Idealfall kann somit pro segregierte Phase eine temporäre Form fixierbar sein. Polymernetzwerke, die ein Zweiformen-Gedächtniseffekt aufweisen, sind in der Literatur beschrieben. Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung auf kein spezielles Material beschränkt. Beispielsweise kann das Polymernetzwerk Schaltsegmente aufweisen, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Polyester, insbesondere Poly(ε-caprolacton); Polyether; Polyurethane, insbesondere Polyurethan; Polyetherurethane, Polyimide, Polyetherimide, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyvinyle, Polystyrole, Polyoxymethyle, Poly(para-dioxanon) oder andere. Dabei werden die zumindest zwei Schaltsegmente vorzugsweise so gewählt, dass ihre Schalttemperatur in einem für die jeweilige Anwendung akzeptablen Bereich liegt.
  • Optional kann das Formgedächtnispolymer 12 hydrolytisch spaltbare Gruppen aufweisen, insbesondere Ester-, Amid-, Anhydrid-, Carbonat-, Ether- und Orthoestergruppen sowie Kombinationen von diesen. Auf diese Weise werden bioabbaubare Materialien erhalten, was insbesondere für Anwendungen im biomedizinischen Bereich vorteilhaft oder sogar Vorraussetzung sein kann. Auch bioabbaubare Formgedächtnispolymere sind aus der Literatur hinlänglich bekannt. Die vorliegende Erfindung ist auf keine speziellen Vertreter dieser Gruppe eingeschränkt.
  • Zwei Beispiele für vorteilhafte Netzwerkarchitekturen des Formgedächtnispolymers 12 sind in schematischer Darstellung in den 2a und b gezeigt.
  • 2a zeigt ein Polymer 12 mit einer kovalent vernetzten AB-Netzwerkarchitektur. Hier liegen die die Schaltphasen bildenden Schaltsegmente A, B mit ihren beiden Kettenenden kovalent im Polymernetzwerk gebunden vor. Insbesondere ist das Schaltsegment B beidseitig an ein aus dem Schaltsegment A gebildeten Polymerrückgrad gebunden. Die kovalenten Vernetzungspunkte NP sind dabei durch die Verknüpfungsstellen der Schaltsegmente (A, B) definiert. In derartigen AB-Netzwerken tragen beide Kettensegmente A und B zur Elastizität des Polymermaterials 12 bei. Beispielsweise kann ein solches Netzwerk durch die Copolymerisation eines beidseitig endfunktionalisierten Makromonomers mit einem Monomer dargestellt werden. So wird etwa durch die Copolymerisation von Poly(ε-caprolacton)dimethacrylat mit Cyclohexylmethacrylat das AB-Blockcopolymernetzwerk MACL erhalten, das die segregierten Schaltsegmente Poly(cylohexylmethacrylat) (PCHMA; Segmente A in 2a) und Poly(ε-caprolacton) (PCL; Segmente B) ausbildet.
  • Demgegenüber zeigt 2b eine kovalent vernetzte Seitenketten-Netzwerkarchitektur, bei dem das Schaltsegment B in Form freier Seitenketten vorliegt, welche an einem unter Beteiligung des Schaltsegments A gebildeten Polymerrückgrad gebunden sind. In einer solchen Struktur tragen hauptsächlich die Segmente zwischen den Netzpunkten NP, das heißt das Polymerrückgrad, zur Elastizität bei. Ein derartiges Seitenkettennetzwerk kann durch die Copolymerisation von zwei oder mehr unterschiedlichen Makromonomeren realisiert werden, von denen mindestens eines einseitig und mindestens ein weiteres beidseitig endfunktionalisiert ist. Beispielsweise wird durch die Copolymerisierung von Poly(ε-caprolacton)dimethacrylat mit Polyethylenglycol-Monomethylether-Methacrylat das Polymernetzwerk CLEG dargestellt: hierbei entstehen durch die teilweise stattfindende Homopolymerisation von Polyethylenglycol-Monomethylether-Methacrylat Polymethacylatsegmente (PMA; C in 2b) mit daran gebundenen PEG-Seitenketten (B). Unter Beteiligung der beidseitig gebunden vorliegenden PCL-Segmente A und der PMA-Segmente C wird ein Polymerrückgrad ausgebildet.
  • Hinsichtlich des magnetischen Materials 14 (1) ist bevorzugt vorgesehen, dass dieses in Form von Partikeln vorliegt, insbesondere in Form von Mikropartikeln oder Nanopartikeln. Dabei sind vorliegend Mikropartikel durch einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 999 μm definiert und liegen typischerweise im Bereich oberhalb von 500 μm und Nanopartikel durch einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 999 nm, typischerweise unterhalb von 10 nm. Diese Definition schließt somit eine pulverförmige Konsistenz des magnetischen Materials 14 ein. Aus stofflicher Hinsicht kommen für das magnetische Material 14 alle Materialien in Frage, die geeignet sind, in einem alternierenden magnetischen Feld eine Wechselwirkung zu zeigen, die zur Erwärmung der Partikel führt. Insbesondere kann das magnetische Material elementare Metalle umfassen, beispielweise Ni, Fe und/oder Co. Geeignet sind darüber hinaus Legierungen, insbesondere Ni-Si, Fe-Pt, Ni-Pd und/oder Co-Pd. Weiterhin können insbesondere pulverförmige Metalloxide als magnetisches Material 14 verwendet werden, insbesondere Ni-Zn-Fe-O, Ba-Co-Fe-O und/oder Fe-O. Daneben können Magnetite oder Eisenoxide zum Einsatz kommen, in denen die Eisenatome zumindest teilweise durch Co, Ni, Mn, Zn, Mg, Cu, Cr, Cd und/oder Ga ersetzt sind. Geeignet sind ebenfalls Ferrite, insbesondere Ni-Zn- und/oder Sr-Ferrite. Ebenso sind Mischungen der vorgenannten Materialien möglich. Bevorzugt werden solche Materialien eingesetzt, die sich in der Polymermatrix homogen verteilen, das heißt mit dieser eine möglichst homogene Mischung ergeben. Insbesondere, wenn dieses Verhalten nicht gegeben ist, kann vorgesehen sein, dass die Partikel des magnetischen Materials 14 eine Beschichtung eines die Mischbarkeit mit dem Formgedächtnispolymer verbessernden Materials aufweisen. Als Beschichtungsmaterial kommen vor allem organische Polymere in Frage.
  • Um den gewünschten multiplen Formeneffekt zu erzielen, müssen die Formgedächtniseigenschaften der Polymermatrix 12 mit den thermischen Eigenschaften des Komposit materials 10 als Ganzes kombiniert werden. Die thermischen Eigenschaften des Kompositmaterials 10 werden unter anderem von der Art des verwendeten magnetischen Materials 14 bestimmt. Seitens des Formgedächtnispolymers 12 ist es von Vorteil, dass dieses einen möglichst engen Schaltbereich aufweist, das heißt eine große Änderung des mechanischen Verhaltens (Rückstellung) innerhalb eines relativ kleinen Temperaturintervalls zeigt. Die Schaltbereiche sollten genügend weit auseinander liegen, um ein separates Ansteuern der Schaltintervalle zu ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Kompositmaterial 10 kann zu beliebig gestalteten Artikeln verarbeitet werden, wobei die permanente Form des Artikels in der Regel durch die während der Polymerisation stattfindende Vernetzung festgelegt wird. Dabei wird bei einem einheitlichen Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Artikels die maximale Anzahl der Formenübergänge durch die Anzahl der segregierten Schaltphasen bestimmt. So ermöglichen beispielsweise die in den 2a, b dargestellten Segmente A und B jeweils die Fixierung einer temporären Form, das heißt nach entsprechender Programmierung ist der Artikel in der Lage, magnetfeldinduziert zwei Formenübergänge zu vollziehen.
  • 3 zeigt in einer beispielhaften Ausführung einen erfindungsgemäßen Artikel, der – nach geeigneter Programmierung – zwei magnetisch induzierte Formenübergänge vollziehen kann. Der insgesamt mit 16 bezeichnete Artikel besteht aus dem erfindungsgemäßen, vorzugsweise einstückig hergestellten Formgedächtnis-Kompositmaterial 12, hier in Form eines runden Schlauches als permanente Form PF (3 oben). Handelt es sich bei dem verwendeten Formgedächtnispolymer 10 um ein Polymernetzwerk, so wird die permanente Form PF bereits während der Polymerisation der Monomere oder Makromonomere gebildet, wobei die permanente Form PF durch die erzeugten Vernetzungspunkte fixiert wird. Im Falle von Thermoplasten, die vor ihrer Formgebung bereits polymerisiert werden, wird die permanente Form PF durch Erstarren der Polymerschmelze in geeigneten Formwerkzeugen dargestellt, beispielsweise im Spritzgussverfahren. In beiden Fällen kann die permanente Form noch nachträglich durch mechanische (materialabtragende) oder thermo-mechanische Bearbeitung verändert werden.
  • Um den Artikel 16 zu programmieren, wird er in einem ersten Schritt auf eine Materialtemperatur gebracht, die oberhalb der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 liegt, dann zu einem ovalen Schlauch deformiert und unter Aufrechterhaltung des Formzwanges die Materialtemperatur auf eine Temperatur unterhalb der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 oder sogar der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 gesenkt. Auf diese Weise wird der Formenübergang TF1 → PF beziehungsweise die erste temporäre Form TF1 programmiert, die durch das Schaltsegment mit der höheren Übergangstemperatur Ttr,1 fixiert wird (3 Mitte).
  • In einem zweiten Schritt wird die Materialtemperatur des Artikels 16 auf eine Temperatur zwischen der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 und der oberen Übergangstemperatur Ttr,1 gebracht und der Artikel 16 entsprechend einer zweiten temporären Form TF2 erneut deformiert, die wiederum einem runden Schlauch entspricht jedoch mit einem gegenüber der permanenten Form PF vergrößerten Durchmesser (3 unten). Durch Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 erfolgt die Fixierung der zweiten temporären Form TF2 durch das Schaltsegment mit der niedrigeren Übergangstemperatur.
  • Die magnetisch induzierte Formrückstellung des gemäß 3 programmierten Artikels 16, das heißt das Abrufen der programmierten Formenübergänge, erfolgt nun, indem der in der zweiten temporären Form TF2 vorliegende Artikel 16 einem ersten, relativ schwachen alternierenden Magnetfeld M1 ausgesetzt wird. Infolge der induktiven Erwärmung des magnetischen Materials 14 und des umgebenden Polymermaterials 12 wird das Kompositmaterial 10 auf eine Temperatur oberhalb der im Wesentlichen der unteren Übergangstemperatur Ttr,2 entsprechenden unteren Schalttemperatur Tsw,2 (aber unterhalb der oberen Schalttemperatur Tsw,1) erwärmt, wodurch es zu dem ersten Formenübergang TF2 → TF1 kommt. Der Artikel geht also von der runden Schlauchform relativ großen Durchmessers in die ovale Schlauchform über. Zur Auslösung des ersten Formenüberganges kann die magnetische Feldstärke oder die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes sukzessive erhöht werden, bis die Formänderung erfolgt. Erst bei weiterer Erhöhung der Magnetfeldstärke und/oder der Feldfrequenz auf ein zweites Magnetfeld M2 kommt es zu einer weiteren Erwärmung des Materials 10 oberhalb der oberen Schalttemperatur Tsw,1, wodurch auch die zweite Rückstellung TF1 → PF ausgelöst wird, das heißt der Artikel 16 geht von der ovalen Schlauchform in die runde Schlauchform relativ geringen Durchmessers über.
  • In Abwandlung des in 3 dargestellten Beispiels kann die zweite temporäre Form TF2 auch identisch mit der permanenten Form PF sein. Weiterhin ist es nicht erforderlich, dass die Deformation im ersten und/oder zweiten Programmierungsschritt das gesamte Bauteil erfasst. Vielmehr ist auch denkbar, jeweils nur örtlich begrenzte Abschnitte des Artikels 16 zu deformieren, beispielsweise ein erstes Ende in eine Richtung abzuwinkeln und ein zweites Ende in eine andere Richtung.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der aus dem erfindungsgemäßen Kompositmaterial hergestellte Artikel auch mehrere Teilabschnitte unterschiedlicher Oberflächen-Volumen-Verhältnisse O/V aufweisen. Ein Beispiel hierfür zeigt 4. Demnach weist der Artikel 16 einen Abschnitt 18 mit relativ geringem O/V und einen Abschnitt 20 mit einem relativ großen O/V auf. Dies wird bei einer insgesamt zylindrischen Geometrie durch unterschiedliche Durchmesser der beiden Abschnitte 18 und 20 erreicht oder im Falle einer flächigen Quader- oder Foliengeometrie durch unterschiedliche Materialstärken. Denkbar ist zudem, dass der Artikel 16 mehr als zwei Abschnitte mit unterschiedlichen O/V aufweist. Der in 4 dargestellte Artikel 16 weist ferner einen zwischengeschalteten isolierenden Abschnitt 22 mit einem geringen Durchmesser und hohem O/V und somit kleinen Kontaktflächen mit den Abschnitten 18, 20 auf. Durch den isolierenden Abschnitt 22 wird die Wärmeleitung zwischen beiden Abschnitten 18 und 20 weitgehend unterbunden, wodurch eine thermische Isolierung beider Abschnitte 18 und 20 gewährleistet ist.
  • Die in 4 dargestellte Ausführungsform macht sich den Umstand zunutze, dass die maximal in einem gegebenen Magnetfeld erreichbare Materialtemperatur eines Probenkörpers von seinem Oberflächen-Volumen-Verhältnis abhängt. Insbesondere sinkt die maximal erreichbare Temperatur mit wachsendem Verhältnis der Oberfläche zum Volumen. Dabei besteht keine Abhängigkeit der maximal erreichbaren Materialtemperatur von der eingesetzten Probenkörpermasse bei konstantem O/V. Auf diese Weise kann die Anzahl der programmierbaren Formenübergänge gegenüber einem Artikel mit einheitlichem O/V zusätzlich erhöht werden, im Extremfall sogar mit der Anzahl der Teilabschnitte mit unterschiedlichem ON multipliziert werden.
  • Die in 4 dargestellte Ausführungsform aus einem Dreiformen-Kompositmaterial mit unterschiedlichem ON der Abschnitte kann z. B. so programmiert und die Formrückstellung ausgelöst werden, dass sich vier Formänderungen ergeben. In diesem Fall sind zwei Formänderungen auf das unterschiedliche O/V-Verhältnis der Abschnitte zurückzuführen, während zwei weitere Formänderungen auf den zwei Schaltphasen des Dreiformen-Kompositmaterials innerhalb eines Abschnittes beruhen. Die Reihenfolge der Formänderungen der Abschnitte sowie innerhalb eines Abschnittes ist nicht festgelegt; sie kann abschnittsweise erfolgen oder sie kann durch geschicktes Ausnutzen der Schalttemperaturen und der O/V-Verhältnisse der Abschnitte auch zwischen den Abschnitten wechseln.
  • Magnetisch-induzierbares Triele-Shape-Polymernetzwerk aus PCL und PEG
  • Es wurde ein Kompositmaterial aus einem CLEG-Polymernetzwerk gemäß 2b mit 5 Gew.-% Nanopartikeln (AdNano® MagSilica 50, Degussa Advanced Nanomaterials, AdNano® MagSilica 50, Degussa Advanced Nanomaterials, aus 50 bis 60 Gew.-% Eisen-(III)oxid in einer SiO2-Matrix) hergestellt. Hierfür wurde Poly(ε-caprolacton)dimethacrylat (10 kD) und Polyethylenglycol-Monomethylether-Methacrylat in einem Massenverhältnis von 30:70 mit 5 Gew.-% der Nanopartikel und 1 mol-% Azo-bis-(isobutylonitril) versetzt und intensiv vermischt. Die so erhaltene Reaktionsmischung wurde in eine PTFE-Form gegossen und bei 80°C 12 h thermisch polymerisiert. Dabei wurde die permanente Form (PF) festgelegt. Die PTFE-Form bestand aus zwei Quadern gleicher Geometrie, die über einen 2 mm breiten und 1 mm hohen Steg miteinander verbunden waren.
  • Durch rechtwinkliges Abknicken eines ersten Probenendes bei einer Temperatur oberhalb der oberen Übergangstemperatur und anschließendes Abkühlen auf eine Temperatur zwischen der unteren und der oberen Übergangstemperatur wurde die Programmierung der ersten temporären Form TF1 durchgeführt. Bei dieser Temperatur wurde durch rechtwinkliges Abknicken des zweiten Probenendes und anschließendes Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der unteren Übergangstemperatur wurde die Programmierung der zweiten temporären Form TF2 durchgeführt.
  • Anschließend erfolgte zunächst die Rückstellung der zweiten Probenseite (TF2 → TF1) in einem Magnetfeld bei einer Feldstärke von 14 kA/m und einer Frequenz von 254 kHz an Luft bei einer Umgebungstemperatur von 25°C und erzwungener Konvektion. Dieser Prozess erforderte das Erreichen der unteren Schalttemperatur im Kompositmaterial und erforderte einige Minuten. Dabei blieb die erste Probenseite unverändert. Anschließend wurde die Magnetfeldstärke auf 19,3 kA/m erhöht, wodurch auch die obere Schalttemperatur und somit die Rückstellung der ersten Probenseite induziert wurde (TF1 → PF). Im Ergebnis lag somit wieder die insgesamt ebene Ausgangsform (PF) vor.
  • 10
    Formgedächtnis-Kompositmaterial
    12
    Formgedächtnispolymer
    14
    magnetisches Material
    16
    Artikel
    18
    erster Abschnitt
    20
    zweiter Abschnitt
    22
    isolierender Abschnitt
    A
    erstes Schaltsegment
    B
    zweites Schaltsegment
    NP
    Vernetzungspunkt
    PF
    permanente Form
    TF1
    erste temporäre Form
    TF2
    zweite temporäre Form
    M1
    erstes Magnetfeld
    M2
    zweites Magnetfeld
    Ttr
    Übergangstemperatur
    Tsw
    Schalttemperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (17)

  1. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) mit Dreiformeneigenschaft umfassend (a) ein Triele-Shape-Formgedächtnispolymer (12), das mindestens eine Sorte Vernetzungspunkte (NP) und mindestens zwei Schaltsegmente (A, B) umfasst, welche durch Phasensegregation jeweils eine Schaltphase mit jeweils einer Übergangstemperatur (Ttr,A, Ttr,B) ausbilden, so dass das Polymer (12) nach einer thermomechanischen Programmierung in Abhängigkeit von seiner Materialtemperatur neben einer permanenten Form mindestens zwei temporäre Formen einnehmen kann, sowie (b) zumindest ein in das Formgedächtnispolymer (12) eingebettetes magnetisches Material (14).
  2. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnispolymer (12) eine physikalisch oder kovalent vernetzte AB-Netzwerkarchitektur aufweist, bei dem die die Schaltphasen bildenden Schaltsegmente (A, B) mit ihren beiden Kettenenden kovalent im Polymernetzwerk gebunden vorliegen.
  3. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnispolymer (12) eine physikalisch oder kovalent vernetzte Seitenketten-Netzwerkarchitektur aufweist, bei dem eines der Schaltsegmente (A, B) in Form freier Seitenketten vorliegt, welche an einem unter Beteiligung des anderen Schaltsegments (A, B) gebildeten Polymerrückgrad gebunden sind.
  4. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnispolymer (12) eine physikalisch vernetzte Netzwerkarchitektur aufweist, bei dem die Schaltphasen bildenden Schaltsegmente (A, B) jeweils kovalent an unterschiedliche Segmente gebunden sind, die ihrerseits ein physikalisch gebundenes Polymernetzwerk aufbauen, so dass ein Drei-Phasen-System vorliegt.
  5. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnispolymer (12) eine Semi-IPN-Netzwerkarchitektur aufweist, bei dem ein erstes Netzwerk, welches die die erste Schaltphase bildende Schaltsegmente (A) aufweist, ein von einem zweiten Netzwerk, welches die die zweite Schaltphase bildende Schaltsegmente (B) aufweist, durchdrungen wird.
  6. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnispolymer (12) eine kovalent vernetzte IPN-Netzwerkarchitektur aufweist, bei dem die Schaltphasen bildenden Schaltsegmente (A, B) mit ihren beiden Kettenenden kovalent in jeweils einem, sich gegenseitig durchdringen Polymernetzwerk gebunden vorliegen.
  7. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Schaltsegmente ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyester, insbesondere Poly(ε-caprolacton); Polyether; Polyurethane, insbesondere Polyurethan; Polyimide, Polyetherimide, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyvinyle, Polystyrole, Polyoxymethyle, Poly(para-dioxanon).
  8. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnispolymer (12) hydrolytisch spaltbare Gruppen, insbesondere Ester-, Amid-, Anhydrid-, Carbonat-, Ether-, Orthoestergruppen, enthält.
  9. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Netzwerk des Formgedächtnispolymers (12) durch Polymerisation geeigneter Polymere, insbesondere von Acrylaten oder Methacrylaten, oder durch Polyaddition von endgruppenfunktionalisierten Oligomeren, insbesondere von hydroxytelechelen Oligomeren mit Isocyanaten zu Polyurethanen, erfolgt.
  10. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (16) in Form von Partikeln vorliegt, insbesondere in Form von Mikropartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 999 μm oder in Form von Nanopartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 999 nm.
  11. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (16) zumindest eine Komponente ist, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Metalle, insbesondere Ni, Fe und Co; Legierungen, insbesondere Ni-Si, Fe-Pt, Ni-Pd und Co-Pd; Metalloxide, insbesondere Ni-Zn-Fe-O, Ba-Co-Fe-O und Fe-O; Magnetite oder Eisenoxide, in denen die Eisenatome teilweise durch Co, Ni, Mn, Zn, Mg, Cu, Cr, Cd und/oder Ga ersetzt sind; Ferrite, insbesondere Ni-Zn- und Sr-Ferrite.
  12. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (16) eine Beschichtung eines die Mischbarkeit mit der Formgedächtnispolymer (14) verbessernden Materials aufweisen.
  13. Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Substanz (14) in homogener Verteilung in dem Formgedächtnispolymer (12) vorliegt.
  14. Artikel (16) zumindest teilweise aus einem Formgedächtnis-Kompositmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt.
  15. Artikel (16) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Artikel (16) zumindest zwei, unmittelbar oder mittelbar miteinander verbundene Abschnitte (18, 20) aufweist, die sich durch ein unterschiedliches Oberflächen-Volumen-Verhältnis (O/V) voneinander unterscheiden.
  16. Artikel (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Volumen-Verhältnisse (O/V) der zumindest zwei Abschnitte (18, 20) so gewählt sind, dass sie eine Differenz einer in einem gegebenen Magnetfeld maximal erreichbaren Materialtemperatur (Tmax) von mindestens 10 K, insbesondere von mindestens 15 K, vorzugsweise von mindestens 20 K, aufweisen.
  17. Artikel (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Abschnitte (18, 20) durch einen thermisch isolierenden Abschnitt (22) miteinander verbunden sind, insbesondere durch einen Abschnitt, dessen Oberflächen-Volumen-Verhältnis (O/V) mindestens desjenigen Abschnitts (18, 20) mit dem größeren Oberflächen-Volumen-Verhältnis (O/V) entspricht.
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