塑膠專欄
未來材料發展—刺激響應高分子複合材料
智能材料
刺激響應高分子複合材料(stimuli-responsive polymers)是智能材料涵蓋的範圍之一,發展變化相當的廣泛,此材料在特定外力的刺激源刺激後,可藉由於微觀的分子變化產生巨觀的特性改變(黏滯性、親疏水性、耐衝擊特性及固化等特性),以產生符合環境需求特性之自我適應性效果,其運用概念可以透過下圖一簡易表達,是國際上不斷研發創新的下一階段可運用的新型材料。

圖一、材料具備自我適應特性
目前設計刺激響應高分子的刺激源可以藉由物理(Physical)、化學(chemical)或生物(Biological)三種類別來控制,其包含的內容如下表一,而且不同的刺激源可以以雙重或多重複合的方式共同存在,當中物理性包括光、溫度、聲波、磁性、機械能及電能等,是以改變分子鏈段動力學為主要,而化學性包括溶劑種類、離子強度、電化學、酸鹼值,是藉由調節分子間或其與溶劑分子之間的相互作用力達到,生物性則是以酶或受體來改變控制分子的運作,例如酶的存在下可促進反應或藉由專一受體產生分子自我鑑別的功能。
表一、運用於刺激響應高分子的刺激源
以物理性之光源為例,透過波長範圍為300-400nm之UV光為刺激源,照射後可讓材料表面的結構排列產生不同變化,同時我也可設計再透過照射VIS光源產生逆向效果,進而因為表面的分子排列變而化改變其材料表面能、親疏水性或是分子流動特性,這一來一往的變化搭配有效的刺激源即可有效(智能)的控制材料的表面特性,可以如下圖二代表。

圖二、因材料表面的分子排列結構不同影響材料的表面能。
若巧妙運用材料刺激原可控制的特性,可以設計出許多不同的新型態材料並運用於不同的領域中,亦可藉由此智能化特性解決現階段產業問題。以接著/重工的製程來說,由於現階段商品的厚度不斷下降與產品的精密度不斷增加的壓力下,導致產品在生產過程當中容易出現良率低下的問題,不合格的產品除了少部分配件可丟棄或破壞外,大都需要重新拆解組裝,再加上為了搭配產品薄型化設計趨勢,已經有大量商品沒有空間使用螺絲或卡扣的設計,故廠商大都選擇接著力較強的結構膠作為產品接合的手段,但過強的接著強度在商品線上拆解重新組裝時反而容易造成產品的破壞,而強度較低的結構膠雖然對線上重工製程相當有利,但卻無法確保商品往後使用時之可靠性。在此,為解決業者在重工製程需求上的困擾,塑膠中心已積極投入發展刺激響應材料產品並運用於產品結合上,透過所設計的刺激源即可透過消除黏性簡單達到將產品進行拆解,同時又確保在使用時之可信度,如同扣氈一樣可多次拆解組合,實際運用時應可協助業者解決現階段薄型產品接著之困擾,亦可帶來新的商品設計概念。

圖三、上圖為具備刺激響應結合效果,下圖為傳統介面結合之兩種效果。

圖一、材料具備自我適應特性
目前設計刺激響應高分子的刺激源可以藉由物理(Physical)、化學(chemical)或生物(Biological)三種類別來控制,其包含的內容如下表一,而且不同的刺激源可以以雙重或多重複合的方式共同存在,當中物理性包括光、溫度、聲波、磁性、機械能及電能等,是以改變分子鏈段動力學為主要,而化學性包括溶劑種類、離子強度、電化學、酸鹼值,是藉由調節分子間或其與溶劑分子之間的相互作用力達到,生物性則是以酶或受體來改變控制分子的運作,例如酶的存在下可促進反應或藉由專一受體產生分子自我鑑別的功能。
表一、運用於刺激響應高分子的刺激源


圖二、因材料表面的分子排列結構不同影響材料的表面能。

圖三、上圖為具備刺激響應結合效果,下圖為傳統介面結合之兩種效果。