پلیمرهای حافظه شکلی

پلیمرهای حافظه شکلی یک موضوع هیجان انگیز از نوآوری های پلیمریست. در اصل، آن ها موادی هستند که می توانند به یاد بیاورند که چه شکلی بوده اند و هنگامی که محرکی مانند گرما یا نور به آن ها اعمال می شود، به شکل اولیه باز می گردند.

گستره کاربردهای این گونه مواد بسیار زیاد است. پزشکی، صنعتی، الکترونیک، منسوجات و موارد دیگر را پوشش می دهد و پیشرفت در همه این زمینه ها هنوز در آزمایشگاه های سراسر جهان ادامه دارد.

انواع مختلفی از پلیمرهای دارای حافظه شکلی وجود دارد. همانطور که از نام آن مشخص است، این پلیمرها، موادی هستند که “حافظه” شکل خود را دارند. به طور خاص، آن ها می توانند پس از تغییر شکل به شکل اولیه خود بازگردند. هنگامی که یک محرک خاص اعمال می شود، می توانند به شکل اولیه خود بازگردند. این محرک ممکن است برای مثال گرما یا نور باشد. این توانایی به عنوان اثر حافظه شکل (SME) شناخته می شود و می تواند در آلیاژهای شناخته شده به عنوان آلیاژهای حافظه شکل (SMAs) و در پلیمرها، در پلیمرهای حافظه شکل (SMPs) رخ دهد، اما در هیبریدهای حافظه شکل (SMHs) نیز وجود دارد. در واقع خاصیتی که درحافظه شکلی، با اعمال برخی محرک های خارجی مانند دما، تنش، رطوبت، میدان الکتریکی یا مغناطیسی، pH، نور یا ترکیب شیمیایی تحت تأثیر قرار می گیرد شکل آن ها است.

پلیمر حافظه شکلی چیست؟

پلیمرهای حافظه دار، مواد پلیمری هستند که می توانید آن ها را تغییر شکل دهید و سپس با اعمال یک محرک مانند گرما یا نور، به شکل قبلی خود باز گردند. یک پلیمر حافظه دار می تواند از یک شکل موقت که با تغییر شکل آن به دست می آید، به شکل قبلی که شکل دائمی آن است، زمانی که تغییر شکل نمی دهد، تغییر کند.

کاربردهای پلیمرهای حافظه دار

تقریباً بی نهایت کاربرد بالقوه برای پلیمرهای حافظه شکلی وجود دارد. توانایی بازگشت به یک شکل پس از اعمال محرک های مختلف، به یک متغیر مهم در طراحی محصول، اجازه می دهد تنوع زیادی از محصولات تولید شود. برخی از کاربردهای هیجان انگیز عبارتند از: پارچه های هوشمند، بادبان های خورشیدی قابل استقرار در فضاپیما، دستگاه های پزشکی هوشمند و تلفن های همراه خود جدا شونده.

– لباس و سایر منسوجات “هوشمند”

از آنجایی که پلیمرهای حافظه دار می توانند به دما، نور، pH و رطوبت پاسخ دهند، خواص بسیار جالبی برای این مواد در پارچه ها وجود دارد. مانند راحتی، زیبایی، بهبود زخم، محافظت در برابر شرایط محیطی و غیره است. برخی از نمونه ها عبارتند از: لباس های تنفسی هوشمند که می توانند گرما و رطوبت بدن انسان را تنظیم کنند. پارچه های ضد چروک و … همچنین کمربند ایمنی خودرو با استفاده از الیاف SMP که انرژی جنبشی را جذب می کند و ایمنی را افزایش می دهد. محصولات مراقبت از پوست با اثرات مرطوب کننده، سفید کننده، روشن کننده و ضد پیری به دلیل انتشار کنترل شده مواد مغذی یا داروها، محصولات پانسمان زخم که در پاسخ به تغییرات pH یا دما، دارو را آزاد می‌کنند و به زخم‌ها اجازه می‌دهند به سرعت بهبود یابند. پارچه های دئودورانت که دئودورانت ها را در دماهای خاص آزاد می کنند.

پلیمرهای حافظه شکلی چگونه کار می کنند؟

پلیمرهای حافظه دار ساختار شیمیایی خاصی دارند به این معنی که می توانند از حالت تغییر شکل به حالت اولیه برگردند. محرک خارجی می تواند گرما، نور، الکتریسیته یا مغناطیس باشد و معمولاً این مواد گرما را در پلیمر به عنوان مکانیزمی برای شروع فرآیند تغییر از حالت تغییر شکل یافته به حالت اولیه تولید می کنند. در حالت کلی پلیمرها در دو حالت وجود دارند، یا حالت کریستالی که زنجیره های پلیمری در آن به طور یکنواخت منظم شده اند و به یک ساختار نسبتاً محکم تبدیل می شوند، یا حالت آمورف که در آن مونومرها به طور تصادفی پراکنده و نسبتاً نرم و انعطاف پذیر هستند و به راحتی حرکت می کنند اما پلیمرهای حافظه شکلی ساختاری نیمه کریستالی دارند. این بدان معناست که هر دو حالت کریستالی و آمورف به طور همزمان در یک دمای خاص (معمولا دمای اتاق) رخ می دهد.

اسامی مختلفی برای دستیابی به اثر «حافظه» وجود دارد مانند «مکانیسم حالت دوگانه»، «مکانیسم دو مؤلفه‌ای» یا «مکانیسم انتقال جزئی» دارند. برای توضیح این مطلب نگاهی به “دمای انتقال شیشه ای” مفید است: دمای انتقال شیشه ای Tg، دمایی است که در آن پلیمر از حالتی به حالت دیگر تغییر می کند، بنابراین از حالت کریستالی (سخت) به آمورف (انعطاف پذیر) تبدیل می شود.

پلیمرهای حافظه دار دارای دو مورد از این دماها هستند. در حالت کریستالی اولیه، حرکات بلوک های پلیمری منجمد می شوند (این حالت اولیه ای است که به آن باز خواهد گشت) هنگامی که دما افزایش می یابد، چرخش در اطراف پیوندهای بلوک پلیمر کمتر می شود و به طور کلی به حالت بی شکل تبدیل می شود. این پدیده به این دلیل است که در داخل ماده، 1.بخش‌های سخت، 2.حوزه‌های کریستالی از بخش‌های نرم، و 3.حوزه‌های آمورف از بخش‌های نرم وجود دارد. این سه نوع بخش همیشه وجود دارند. اگرچه تنها دو بخش از این بخش ها کشیده می شوند. حوزه‌های آمورف و کریستالی بخش‌های نرم، قسمت‌هایی هستند که کشیده می‌شوند، در حالی که بخش‌های سخت این گونه نیستند.

در حالت تغییر شکل، بخش‌های زنجیره‌ای که برای تغییر شکل تحت تنش خارجی قرار گرفته‌اند، از برگشت به حالت اولیه خود جلوگیری می‌کنند که توسط “نقاط شبکه برگشت پذیر” که به عنوان تبدیل مولکولی عمل می کنند به دست می آید. این نقاط می توانند توسط فعل و انفعالات فیزیکی یا پیوندهای کووالانسی تشکیل شوند. با رسیدن به دمای انتقال شیشه ای دوم، پلیمر به حالت اولیه خود باز می گردد. یکی از راه‌های درک اینکه چرا این اتفاق می‌افتد این است که سیستم‌های فیزیکی می‌خواهند به حالت تصادفی‌تر و نظم کمتر برگردند. بنابراین وقتی دما را افزایش می دهیم که باعث افزایش تحرک زنجیره‌ها می‌شود، می‌خواهیم به سمت حالت بیشترین بی‌نظمی برود.