پلیمرهای حافظه دار (دارای حافظه شکلی) به چه موادی گفته میشود؟
پلیمرهای حافظه دار به دسته ای از مواد هوشمند پلیمری گفته میشود که قابلیت این را دارند که پس از ایجاد حالتی موقتی و یا تغییر شکل به حالت اصلی و دائمی خود بازگردند و این تغییر نیز توسط یک محرک خارجی همانند تغییرات دمایی صورت می‌گیرد.
پلیمر های حافظه دار از چه خواصی برخوردارند؟
پلیمر های حافظه دار قادرند تا دو و یا سه شکل را حفظ کنند و تغییر شکل بین این حالت ها نیز توسط دما به وجود می آید. دیگر محرک هایی که می‌توانند چنین تغییر شکلی را به وجود آورند میدان های مغناطیسی، الکتریکی، نور و یا محلول ها هستند. پلیمرهای حافظه دار همانند پلیمر های معمولی به صورت کلی می‌توانند دسته بزرگی از پلیمرهای پایدار تا تخریب پذیر، نرم تا سخت، انعطاف پذیر تا مستحکم را با توجه به واحدهای ساختاری و مواد تشکیل دهنده شامل شوند. پلیمرهای یادشده شامل ترموپلاستیک ها و ترموست ها می شوند که در واقع مواد پلیمری هستند که از طریق پیوندهای عرضی کووالانسی به یکدیگر متصل شدند. این پلیمرها قادرند تا شکلهای متفاوتی را در حافظه خود حفظ کنند و این قابلیت را دارند که پس از اعمال فشار زیاد تا بیش از ۸۰۰ درصد به حالت اولیه خود باز گردند.
حافظه سه شکلی
اکثر پلیمرهای حافظه دار سنتی قادرند که یک شکل ثابت و یک شکل موقت را در حافظه ذخیره کنند اما پیشرفت های فناوری محور جدید باعث شده‌اند تا انواعی از مواد با حافظه سه تایی نیز تولید شوند. پلیمر های سنتی که از دو حوزه برخوردار می باشند بر اثر دما از حالت موقت به حالت ثابت تغییر شکل می دهند و پلیمرهای دارای حافظه سه تایی نیز از یک حالت موقت به دیگری در دمای انتقال تغییر شکل داده و سپس به وضعیت ثابتی در دمای بالاتر دست پیدا می‌کند. این مورد معمولاً با ترکیب دو پلیمر حافظه ای با دماهای انتقال شیشه ای متفاوت به دست می‌آید و یا زمانی که یک پلیمر حافظه دار برنامه ریزی شده در معرض دمایی بالاتر از دمای انتقال شیشه ای و سپس حرارتی بالاتر از دمای انتقال ذوب قرار می گیرد.
گرما چگونه باعث ایجاد تغییر در پلیمرهای حافظه دار میشود؟
پلیمر های حافظه دار از اشکال متفاوتی برخوردارند که شکل اول در واقع حالتی موقتی و مشخص بوده و شکل دوم ثابت و ذخیره شده می‌باشد. از زمانی که حالت دوم و یا ذخیره شده توسط متدهای سنتی تولید میشود این ماده با انواعی از فراوری ها همانند حرارت، تغییر شکل و در نهایت سرد کردن به حالت موقتی تبدیل خواهد شد. این پلیمر تا زمانی حالت موقتی خود را حفظ می کند که حالت دائمی آن توسط محرک های خارجی از پیش تعریف شده فعال شده باشند. راز نهفته در این مواد در ساختار شبکه مولکولی آنهاست که حداقل دارای دو فاز متفاوت می باشد. فازی که دارای بیشترین انتقال گرمایی می‌باشد و با Tperm نشان داده میشود، دمایی است که باید در طی فراوری بالاتر رود تا بتواند شبکه های فیزیکی را به وجود بیاورد که مسئول ایجاد حالت پایدار در ماده می باشند. اما بخش های در حال انتقال و تعویض به بخشهای گفته میشود که می‌توانند پس از قرارگیری در معرض دمای انتقالی نرم شده و همچنین می‌توانند شکل موقت ماده را به وجود آورند. در مواردی به آنها دمای انتقال شیشه ای و دمای ذوب ماده گفته میشود. افزایش بیش از اندازه دمای انتقال شیشه ای به همراه دمای پایین انتقال باعث می شود تا این تغییرات فعال شوند و این روند نیز معمولاً با نرم سازی بخشهای انتقالی و همچنین این امکان به وجود می‌آید که آنها را به حالت اصلی و یا ثابت خود تبدیل کند. اگر این مواد در معرض دمایی کمتر از دمای انتقال شیشه‌ای قرار بگیرد انعطاف پذیری بخش ها ممکن است تا حدودی محدود شود. در صورتی که از دمای ذوب برای برنامه‌ریزی پلیمرهای حافظه دار استفاده شود، کشیدگی بخشهای جابجا شده در معرض دمای بالاتر از دمای ذوب و سپس خنک کردن آنها پایین‌تر از این دما می‌تواند باعث ایجاد تبلور در این قسمت‌ها شود. حالت بلورین شبکه های کووالانسی را به وجود می‌آورد که از اصلاح ساختار حلقوی توسط مواد پلیمری جلوگیری می کند. نسبت بخش سخت به نرم معمولاً به صورت ۵ به ۹۵ و یا برعکس می باشد اما نسبت ایده‌آل آن برابر با ۲۰ به ۸۰ و یا مقدار عکس آن است. پلیمر های حافظه دار کاملا گرانرو کشسان می باشند و مدل ها و متدهای تحلیلی متفاوتی برای آنها وجود دارد.
ترمودینامیک اثر حافظه دار چیست؟
زنجیره های پلیمری در وضعیت بدون شکل دارای توزیع تناوبی در ماتریس اصلی خود می باشند. پلیمر هایی که از قابلیت ارتجاعی برخوردارند و میانگین وزن مولکولی در آنها بیش از ۲۰ هزار می باشد در جهت فشار وارد آمده کشیده می شوند. اگر این فشار برای مدت کوتاهی وارد شود در هم تنیدگی زنجیره های پلیمری و همسایگان آنها باعث میشود تا زنجیره به راحتی نتواند تکان بخورد و نمونه یاد شده به حالت اولیه خود باز می گردد. اگر این نیرو برای مدت طولانی تری اعمال شود، فرآیندهای آزادسازی زمانی اتفاق می افتند که تغییر شکل غیر قابل بازگشت مواد پلاستیکی به دلیل سرخوردگی و یا باز شدن زنجیره پلیمری رخ دهد. با هدف پیشگیری از ایجاد جریان و یا حرکت زنجیره های پلیمری میتوان از شبکه سازی استفاده کرد که هم به صورت شیمیایی و فیزیکی انجام می گیرد.
پلیمر های حافظه دار دارای شبکه های فیزیکی
سایر پلیمرهای ترموپلاستیک
پلی نوربورنن های بدون شکل و خطی و یا پلیمر های ترکیبی ارگانیک و غیر ارگانیک که از واحدهای سازنده پلی نوربورنن به وجود آمده‌اند نیز با بخش هایی از POSS جایگزین میشوند و ماده نهایی از اثرات حافظه دار برخوردار است.
پلیمرهای حافظه دار مجهز به شبکه های شیمیایی
مهمترین محدودیت پلیمرهای مجهز به شبکه‌های فیزیکی برای تولید انواعی از پلیمرهای حافظه دار در این مورد می باشد که تغییر شکل در آنها در طی برنامه ریزی حافظه ای غیرقابل بازگشت بوده و این موضوع نیز ناشی از خزش است. امکان سنتز شبکه پلیمری توسط بسپارشی با چندین شبکه ساز چند کارکردی و یا با شبکه‌های پلیمر های خطی و یا شاخه ای وجود دارد. در نهایت موادی غیر قابل انحلال به وجود می‌آیند که در انواعی از حلال ها متورم میشوند.
پلی اورتان های شبکه ای
این ماده را میتوان با استفاده از مقدار زیادی از دی ایزوسیانات ها و یا شبکه سازهایی همانند گلیسرین و تری متیلول پروپان تولید کرد. استفاده از شبکه ساز های کووالانسی باعث بهبود خزش و افزایش دمای بازیابی ماده می شود.
ترموپلاستیک های مجهز به حافظه شکلی
معمولاً پلیمرهای دارای حافظه شکلی به صورت سنتی محدود به پلاستیکهای ترمو ستینگ میشوند اما انواعی از پلیمرهای تمام پلاستیک همانند پلی اتر اتر کتون هم می توانند در این دسته قرار بگیرند.
پلیمر های حافظه دار حساس در برابر نور
انواع پلیمرهای حافظه دار که با استفاده از این روش تغییر شکل می دهند از فرآیندهایی همانند شبکه سازی نوری و یا جداسازی نوری به منظور تغییر دمای انتقال شیشه‌ای استفاده می‌کنند. شبکه سازی نوری با استفاده از یک طول موج نور انجام می گیرد و این در حالی است که طول موج دوم نوری به صورت بازگشتی پیوندهای به وجود آمده را از هم جدا می کند. اثر به وجود آمده می تواند باعث شود که ماده حالتی بین یک الاستومر و یک پلیمر سخت داشته باشد. نور نیز اثری بر تغییرات دمایی ندارد فقط میزان چگالی شبکه سازی در ماده را تغییر میدهد. به عنوان مثال گزارش‌های موجود نشان می دهند که پلیمرهای شامل گروههای سینامیک می‌توانند با استفاده از اشعه فرابنفش به اشکالی از پیش تعیین شده تبدیل شوند و سپس با قرار گیری مجدد در معرض این پرتوها به شکل اولیه خود باز گردند با این تفاوت که پرتوهای مورد استفاده قرار گرفته برای بار دوم دارای طول موج کمتر از ۲۶۰ نانومتر هستند. انواعی از مواد به محرک های نوری واکنش نشان می دهند همانند سینامیک اسید و سینامیلیدن استیک اسید.
پلیمر های حافظه دار حساس به نیروی الکتریسیته
استفاده از نیروی برق به منظور فعال سازی اثر حافظه شکلی در انواعی از پلیمرها برای مواردی مناسب است که نمی‌توان در آنها از حرارت استفاده کرد و در واقع این حوزه یکی از مواردی است که هم اکنون مورد مطالعه قرار گرفته است. به تازگی از پلیمرهای حافظه دار رسانا به همراه لوله های نانو کربنی، الیاف کربنی، کربن سیاه و یا پودرهای فلزی نیکل استفاده شده است. اثر یاد شده در این نوع از پلیمرها به میزان زیادی بر محتوای فیلر و درجه تغییرات سطحی نانو لوله های کربنی وجود دارد. یکی دیگر از تکنیک هایی که مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است شامل به کارگیری انواعی از ذرات نانو می باشد که دارای خواصی همانند حالت پارامغناطیسی و تغییرات سطحی هستند. زمانی که این مواد در ماتریس پلیمری قرار می‌گیرند مرحله انتقال و گذار شکلی فعال خواهد شد.
