TWI588011B - 熱致形狀記憶產品 - Google Patents

Description

熱致形狀記憶產品

本發明是有關於一種方法及產品，特別是指一種熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品。

近年來隨著科技的進步，人類對於材料功能的需求逐漸增加，因此新型功能性材料是目前熱門的研究課題之一。當中，智能材料(Smart Material)是一種可依照外在環境的改變，同時能進行自我調節，並透過產品設計達到智慧化效果，例如：保險絲就是一種可以感應電流的智能材料。

其中，又以形狀記憶高分子材料的研究及運用最為廣泛，而當中之熱致形狀記憶材料被拿來研究，也已運用於不同產業的發展上，主要原因是熱致形狀記憶高分子材料具有熱源容易控制、樣式變化多樣性及市場價格較具競爭力等多種商業優勢。

上述之熱致形狀記憶材料經成形加工後，就會擁有初始形狀(初始態)，當材料接收到外在能量(如熱能、電能等)時，可使其形狀產生改變，若這時移除外在能量，則能使材料暫時處於變形的形狀(變形態)，之後當再次施加相同的外在能量時，就可使材料回復成初始形狀。而這種可在初始態與變形態之間轉換的能力就是「形狀記憶效應」。

早期，該熱致形狀記憶材料在國內並無相關研究及生產，以進口為主。近年來塑膠中心已規劃協助部份廠商開始進行智能材料的發展，以脫離無原料的窘境， 此外，目前熱致形狀記憶材料之製程技術是以沿用傳統塑膠成型的技術，例如：塑膠射出、壓出、發泡級塗佈的方式來建構初始形狀。但是，傳統的塑膠成型必須使用模具，且模具會限制塑膠成型之形狀。

此外，請參閱圖1，為傳統之手持起子工具1，其具有一十字起子頭2及一手握桿3，當該十字起子頭2與一螺絲a之紋路接觸且密合在一起時，可旋動該手握桿3將該螺絲a旋入一牆壁b中。

由於目前市面上已有十字及一字螺紋的螺絲，加上有許多廠商推出不同螺紋之防盜螺絲，造成使用者必須針對每一種螺絲購買合適的手持起子工具，而造成使用者的困擾，如何將傳統之手持起子工具與熱致形狀記憶材料進行結合，且能將該熱致形狀記憶材料之產品製作成易於變形之結構形狀，不可被模具給限制住，確實有必要加以改善。

有鑑於此，本發明之一目的，是在提供一種熱致形狀記憶材料之塑型方法，包含一備製步驟、一第一加熱步驟、一三維堆疊成型步驟、一第二加熱步驟，及一塑型步驟。

首先，進行該備製步驟，準備複數形狀記憶高分子材料。接著，進行該第一加熱步驟，將該複數形狀記憶高分子材料加熱至溶熔狀態。然後，進行該三維堆疊成型步驟，利用一3D列表機堆疊建構出一第一形態體。接著，進行該第二加熱步驟，對該第一型態體加熱。最後，進行該塑型步驟，將加熱後的第一型態體加壓塑型成第二型態體。

本發明的另一技術手段，是在於熱致形狀記憶材料之塑型方法更包含一還原步驟，再次對該第二型態 體進行加熱，並靜置使其自動回復成第一型態體。

本發明的又一技術手段，是在於在該備製步驟中所準備之材料是選自於聚酯系統、環氧樹脂系統、聚氨酯系統、聚烯烴系統、聚醯胺系統，及此等之組合。

本發明的再一技術手段，是在於該第一加熱步驟之加熱溫度範圍為150℃~300℃。

本發明之另一技術手段，是在於該第二加熱步驟之加熱溫度範圍為60℃~120℃。

本發明的又一技術手段，是在於該第二加熱步驟是將該第一型態體浸泡於100℃的熱水中。

本發明的再一技術手段，是在於該塑型步驟中，是當該第一型態體加熱後尚未冷卻前，直接加壓塑造出使用者想要的形狀。

本發明之另一目的，是在提供一種形狀記憶產品，包含一公件，及一母件。該母件可配合該公件形狀而組接在一起，該公件及該母件其中之一或其組合是以聚環己內酯(Polycaprolactone,PCL)之材料所製成。。

本發明的又一技術手段，是在於該母件是一螺絲。

本發明的再一技術手段，是在於該公件是一起子。

本發明之有益功效在於，將目前具有熱致形形狀記憶高分子材料加熱至溶熔狀態時，使用可製作複雜形體之3D列表機在溶熔狀態下以堆疊的方式建構出該第一形態體，且該第一形態體為該形狀記憶高分子材料之記憶形體。當需要改變該第一形態體之形狀時，進行該第二加熱步驟，此時，不需要加熱至太高的溫度即可將加熱的第一形態體加壓塑型成第二型態體。

901~906‧‧‧步驟

3‧‧‧公件

31‧‧‧手握主體

32‧‧‧起子頭

4‧‧‧母件

41‧‧‧螺紋主體

42‧‧‧螺絲頭

43‧‧‧紋路

44‧‧‧保護層

5‧‧‧熱水

圖1是一裝置示意圖，說明傳統手持起子工具；圖2是一方塊示意圖，說明本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品之第一較佳實施例；圖3是一裝置示意圖，說明本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品之第二較佳實施例；及圖4是一裝置示意圖，說明本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品之第三較佳實施例。

有關於本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來作表示。

參閱圖2，為本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品的第一較佳實施例，包括一備製步驟901、一第一加熱步驟902、一三維堆疊成型步驟903、一第二加熱步驟904、一塑型步驟905，及一還原步驟906。

首先，進行該備製步驟901，準備複數形狀記憶高分子材料，其形狀記憶高分子材料是選自於聚酯系統、環氧樹脂系統、聚氨酯系統、聚烯烴系統、聚醯胺系統，及此等之組合。其材料形態可以是顆粒狀、粉末狀或是線條狀等方式，實際實施時，必須搭配使用機台的種類，及產品的用途，來選擇材料之來源。

傳統的塑膠材料是由線形分子鏈所構成，由於分子鏈之間沒有共價鍵的束縛，因此可重複以加熱熔融的方式重新塑造。而本發明所使用之形狀記憶高分子材料是由立體的網狀分子鏈所構成，由於這些分子鏈有類似鑽 石的三度空間結構，因此擁有不易溶解、不能熔融的特性，以致無法利用低溫加熱來改變形狀。

此外，智能材料(Smart Material)也區分為熱致型形狀記憶高分子、電致型形狀記憶高分子、光致型形狀記憶高分子、化學感應型形狀記憶高分子等多種記憶材料的種類，該第一較佳實施例之形狀記憶高分子材料使用熱致型形狀記憶高分子，本發明使用熱致型形狀記憶高分子來做使用，其實際實施時，也可以使用其他材質，或與其他智能材料搭配使用，來運用於各種用途及場合，不應以此為限。

接著，進行該第一加熱步驟902，將該複數熱致形狀記憶高分子材料加熱到溶熔狀態，用以將該熱致形狀記憶高分子材料中的分子鏈以較高的能量鍵離，使處於該溶熔狀態之熱致形狀記憶高分子材料中的分子可以自由移動，並依照不同種類的形狀記憶高分子材料選擇較佳的第一加熱溫度給與其可打斷其分子鏈的能量，其溫度大約在150℃~300℃，能量溫度太低會造成複數分子彼此間的分子鏈無法打斷，而能量溫度太高則會造成材料改變。

然後，進行該三維堆疊成型步驟903，利用一3D列表機堆疊建構出一第一形態體，較佳地，該第一加熱步驟之加熱器設置在該3D列表機之噴頭上方，使該3D列表機之噴頭確實可取得該溶熔狀態之熱致形狀記憶高分子材料，並從該第一形態體之底部，以堆疊的方式一層一層向上堆疊成形，並在成形時該熱致形狀記憶高分子材料中的分子彼此間經由共價鍵開始進行鍵結，使該第一形態體完成時，其中形狀記憶高分子材料之複數分子彼此間鍵結住，以形成智能材料之初始態。

在早期，產品製造商會使用形狀模具，以塑膠射出的方式來製造產品，而使用模具會導致塑膠產品形狀會被限制，本發明利用3D列表機不使用模具來成形的 優點，使該堆疊成形之第一形態體外型符合設計者的最佳形狀設計，此外，也能在產品中製造出複數之空洞或支撐架，對於產品的設計上具有很大的優勢。

接著，進行該第二加熱步驟904，對以冷卻的該第一型態體進行低溫加熱，此時不需要使用太高的溫度來進行加熱，並依照不同的熱致型狀記憶材料之特性來選擇加熱溫度，以目前的材料而言，該第二加熱步驟之加熱溫度範圍為60℃~120℃，必須達高分子材料間複數分子有移動的能量，但是其分子鏈由共價鍵拉住而不會被打斷，導致複數分子雖然可以移動但是卻被其分子鏈彼此鍵結住，其第二加熱步驟之加熱溫度不可以太高，以避免分子鏈被溫度能量打斷。

較佳地，該第一較佳實施例利用水的流體特性來對該形狀記憶高分子材料來平均加熱，而水的液態溫度最高為100℃，較其他方式的加熱更具有穩定及易控制的特性，而加熱之技術繁多且成熟，例如空氣加熱、紅外線加熱等，在此不再一一贅述。

然後，進行該塑型步驟905，將加熱後的第一型態體加壓塑型成第二型態體，當該第一較佳實施例之第一型態體使用100℃的水中加熱並放置一段時間，使分子間因為分子鏈還鍵結住而彼此有限度的活動著，可對該第一型態體直接加壓塑造出第二型態體，並為維持著加壓的力量直到該第二型態體冷卻硬化時，釋放加壓的力量就可以得到該第二型態體來進行使用，本發明人使用手的力量對該第一形態體進行加壓塑造出第二型態體，實際實施時，可利用其他工具或模具進形塑形，不應以此為限。

最後，進行該還原步驟906，當該第二型態使用完畢後，可再次對該第二型態體進行低溫加熱，其加熱溫度與該第二加熱步驟相同，使其熱致型狀記憶材料軟化但不會到達溶熔狀態，並且無需加壓塑形，該第二型態 體會因為複數分子鏈將所連接的分子拉回定位而改變形狀，靜置後所有分子回到定位，便會自動回復成第一型態體，這就是熱致型高分子智能材料的特性。

參閱圖3，為本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品的第二較佳實施例，是使用該第一較佳實施例之方法所成型之產品，其包含一公件3，及一可配合該公件3形狀而組接在一起之母件4，其中，該第二較佳實施例之公件3為一起子，其包括一手握主體31，及一設置於該手握主體31下方之起子頭32，該起子頭是選用聚環己內酯(Polycaprolactone,PCL)之熱致形狀記憶高分子材料所製成並利用該3D列表機(圖中未示出)堆疊而成，該起子頭32中間使用該3D列表機的列印技術形成複數的小空洞(圖中未示出)，用以在第二加熱步驟時更容易改變形狀，該起子頭32之第一型態體前端可以是十字形狀，實際實施時，也可以為一字或其他形狀，不應以此為限。

該母件4為一密合螺絲，包括一螺紋主體41、一設置於該螺紋主體41上方的螺絲頭42，及一設置於該螺絲頭42上的紋路43。較佳地，該螺絲頭42上的紋路43有別於一般一字或十字紋路，是無法以一般的螺絲起子加以旋動，當使用該公件3旋開該母件4時，可將該公件3之起子頭32浸泡於熱水5中使其材質軟化，再將該軟化之起子頭下壓於該螺絲頭42上的紋路43，使該公件3之起子頭32成為一個自適應材質，使該起子頭32之形狀和該螺絲頭42上的紋路43之形狀並緊密結合在一起，當溫度下降使該起子頭32將會硬化，即可旋開該母件4，使用完畢時，可再將該起子頭32浸泡於熱水中即可自動恢復為十字形狀。

參閱圖4，為本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品的第三較佳實施例，該第三 較佳實施例與該第二較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於該母件4更包括一設置於該螺絲頭42上方之保護層44，該保護層44是選用聚環己內酯(Polycaprolactone,PCL)之熱致形狀記憶高分子材料所製成，而該公件3之起子頭32可使用金屬材質並製作成可與該螺絲頭42之紋路43組接在一起的形狀。

當要旋動該母件4時，可將該保護層44淋上熱水來軟化材質，並將該起子頭32下壓並插設於該紋路43中，以旋動該母件4，該母件4上之保護層44於初始態為一平板狀，時可防止外力的破壞，而加熱後在該起子頭32下壓時之可依照該起子頭32之形狀變形，使該母件4之保護層44成為一個自適應材質，並配合該起子頭32及該紋路43之形狀變型，使該起子頭32與該螺絲頭42之紋路43可以更加密合在一起，以防止該母件4旋動時發生崩牙的狀況。

經由上述說明可知，本發明熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品確實具有以下優點：

一、可形成複雜的形體

有別於傳統塑膠成型的方法，本發明使用該3D列表機來製作塑膠產品，無須使用模具對該形狀記憶高分子材料進行塑型，有效的使該熱致型狀記憶材料具有複雜的第一形態體。

二、有效使用形狀記憶高分子材料

本發明利用熱致形狀記憶材料來製作螺絲起子的起子頭，以低溫(100℃)加熱後可密合各種特殊紋路的螺絲，甚至，一般的十字或一字螺絲都可以加以旋動，無需再購買許多來符合各種形狀紋路的特殊螺絲起子。

三、使產品容易變形

使用該3D列表機不僅可以製造出以往模具無法形成的第一型態體，還能在成型時產生複數小空洞或支撐架，再低溫加熱並施加壓力時，更容易變形形成該第二型態體。

綜上所述，本發明之熱致形狀記憶材料之塑形方法及以該方法成型的產品確實有別以往的塑膠成型的技術，利用該3D列表機不必使用模具還能達到使用模具無法形成的第一形態體結構，並利用熱致形狀記憶材料的特性，在低溫加熱後可施加壓力來塑造不同的第二形態體，用以使用於不同的場合及目的，故確實能夠達到本發明之功效。

惟以上所述者，僅為本發明之三個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

901~906‧‧‧步驟

Claims (1)

1. 一種熱致形狀記憶產品，包含：一公件，該公件是一起子；及一母件，該母件是一密合螺絲；該公件及該母件其中之一或其組合是以聚環己內酯(Polycaprolactone,PCL)之熱致形狀記憶高分子材料，並以150℃~300℃之溫度利用3D列印之技術製成，當使用熱致形狀記憶高分子材料所製作之該公件及該母件其中之一或其組合以60℃~120℃加熱後，可使該母件及該公件形狀相互配合而組接在一起，用以使該起子可密合各種特殊紋路之密合螺絲並加以旋動。