Polimeri electroactivi - Electroactive polymers
Polimerii electroactivi , sau EAP , sunt polimeri care prezintă o schimbare de dimensiune sau formă atunci când sunt stimulați de un câmp electric . Cele mai frecvente aplicații ale acestui tip de material sunt în actuatoare și senzori . O proprietate caracteristică tipică a unui EAP este că acestea vor suferi o cantitate mare de deformare în timp ce susțin forțe mari .
Majoritatea actuatoarelor istorice sunt realizate din materiale piezoelectrice ceramice . În timp ce aceste materiale sunt capabile să reziste la forțe mari, în mod obișnuit ele vor deforma doar o fracțiune de procent. La sfârșitul anilor 1990, s-a demonstrat că unele EAP-uri pot prezenta până la o tulpină de 380% , care este mult mai mult decât orice actuator ceramic. Una dintre cele mai frecvente aplicații pentru EAP este în domeniul roboticii în dezvoltarea mușchilor artificiali; astfel, un polimer electroactiv este denumit adesea muschi artificial .
Istorie
Câmpul EAP a apărut în 1880, când Wilhelm Röntgen a proiectat un experiment în care a testat efectul unui câmp electrostatic asupra proprietăților mecanice ale unei benzi de cauciuc natural. Banda de cauciuc a fost fixată la un capăt și a fost atașată la o masă la celălalt. Sarcinile electrice au fost apoi pulverizate pe cauciuc și s-a observat că lungimea s-a schimbat. În 1925 a fost descoperit primul polimer piezoelectric ( Electret ). Electretul a fost format prin combinarea ceară de carnauba , colofoniu și ceară de albine și apoi răcirea soluției în timp ce este supusă unei polarizări electrice DC aplicate . Amestecul s-ar solidifica apoi într-un material polimeric care a prezentat un efect piezoelectric .
Polimerii care răspund condițiilor de mediu, altele decât curentul electric aplicat , au fost, de asemenea, o mare parte a acestui domeniu de studiu. În 1949 Katchalsky și colab. a demonstrat că atunci când filamentele de colagen sunt scufundate în soluții acide sau alcaline , acestea ar răspunde cu o schimbare a volumului . S-a constatat că filamentele de colagen se extind într-o soluție acidă și se contractă într-o soluție alcalină . Deși au fost investigați alți stimuli (cum ar fi pH-ul ), datorită ușurinței și practicității sale, majoritatea cercetărilor au fost dedicate dezvoltării polimerilor care răspund stimulilor electrici pentru a imita sistemele biologice.
Următoarea descoperire majoră în EAP a avut loc la sfârșitul anilor 1960. În 1969, Kawai a demonstrat că fluorura de poliviniliden (PVDF) prezintă un efect piezoelectric mare. Acest lucru a stârnit interesul cercetării în dezvoltarea altor sisteme de polimeri care ar arăta un efect similar. În 1977, primii polimeri cu conductoare electrice au fost descoperiți de Hideki Shirakawa și colab. Shirakawa, împreună cu Alan MacDiarmid și Alan Heeger, au demonstrat că poliacetilena este conductivă electric și că, dopând-o cu vapori de iod , i-ar putea spori conductivitatea cu 8 ordine de mărime. Astfel, conductanța era apropiată de cea a unui metal. La sfârșitul anilor 1980, s-a demonstrat că un număr de alți polimeri prezintă un efect piezoelectric sau s-a dovedit a fi conductori.
La începutul anilor 1990, compozitele ionice polimer-metal (IPMC) au fost dezvoltate și s-a demonstrat că prezintă proprietăți electroactive mult superioare EAP-urilor anterioare. Avantajul major al IPMC-urilor a fost că au reușit să prezinte activare (deformare) la tensiuni de până la 1 sau 2 volți . Acestea sunt ordine de mărime mai mici decât orice EAP anterioară. Nu numai că energia de activare pentru aceste materiale a fost mult mai mică, dar ar putea suferi și deformări mult mai mari. S-a arătat că IPMC prezintă oriunde până la 380% tulpină, ordine de mărime mai mari decât EAP-urile dezvoltate anterior.
În 1999, Yoseph Bar-Cohen a propus Armwrestling Match of EAP Robotic Arm Against Human Challenge. Aceasta a fost o provocare în care grupurile de cercetare din întreaga lume au concurat pentru a proiecta un braț robot format din mușchi EAP care ar putea învinge un om într-un meci de lupte cu brațele . Prima provocare a avut loc la Conferința dispozitivelor și dispozitivelor pentru polimeri electroactivi din 2005. O altă etapă majoră a domeniului este aceea că primul dispozitiv dezvoltat comercial care include EAP ca mușchi artificial a fost produs în 2002 de Eamex în Japonia. Acest dispozitiv era un pește care era capabil să înoate singur, mișcându-și coada folosind un mușchi EAP. Dar progresul în dezvoltarea practică nu a fost satisfăcător.
Cercetarea finanțată de DARPA în anii 1990 la SRI International și condusă de Ron Pelrine a dezvoltat un polimer electroactiv folosind polimeri siliconici și acrilici; tehnologia a fost transformată în compania Artificial Muscle în 2003, producția industrială începând cu 2008. În 2010, Artificial Muscle a devenit o filială a Bayer MaterialScience .
Tipuri
EAP poate avea mai multe configurații, dar sunt în general împărțite în două clase principale: Dielectric și Ionic.
Dielectric
EAP-urile dielectrice sunt materiale în care acționarea este cauzată de forțe electrostatice între doi electrozi care strâng polimerul. Elastomerii dielectrici sunt capabili de tulpini foarte mari și sunt în principiu un condensator care își schimbă capacitatea atunci când se aplică o tensiune permițând polimerului să se comprime în grosime și să se extindă în zonă datorită câmpului electric. Acest tip de EAP necesită de obicei o tensiune de acționare mare pentru a produce mari câmpuri electrice (sute de mii de volți ), dar foarte scăzut electric de putere de consum. EAP-urile dielectrice nu necesită putere pentru a menține actuatorul într-o poziție dată. Exemple sunt polimerii electrostrictivi și elastomerii dielectrici.
Polimeri ferroelectrici
Polimerii ferroelectrici sunt un grup de polimeri polari cristalini care sunt și feroelectrici , ceea ce înseamnă că mențin o polarizare electrică permanentă care poate fi inversată sau comutată într-un câmp electric extern . Polimerii ferroelectrici, cum ar fi fluorura de poliviniliden (PVDF), sunt utilizați în traductoare acustice și actuatoare electromecanice datorită răspunsului lor piezoelectric inerent și ca senzori de căldură datorită răspunsului lor pirroelectric inerent .
Polimeri de grefă electrostrictivi
Polimerii de grefă electrostrictivi constau din lanțuri flexibile ale coloanei vertebrale cu lanțuri laterale ramificate. Lanțurile laterale ale polimerilor coloanei vertebrale învecinate se leagă și formează unități de cristal. Unitățile de cristal ale coloanei vertebrale și ale lanțului lateral pot forma apoi monomeri polarizați, care conțin atomi cu sarcini parțiale și generează momente dipolare, prezentate în Figura 2. Când se aplică un câmp electric, se aplică o forță la fiecare sarcină parțială și determină rotația întregului unitate polimerică. Această rotație determină deformarea electrostrictivă și deformarea polimerului.
Polimeri cristalini lichizi
Polimerii cristalini lichizi cu lanț principal au grupări mezogene legate între ele printr-un distanțier flexibil. Mesogenii din cadrul unei coloane vertebrale formează structura mezofazică determinând polimerul însuși să adopte o conformație compatibilă cu structura mezofazei. Cuplarea directă a ordinii cristaline lichide cu conformația polimerului a conferit elastomerilor cristalini lichizi ai lanțului principal un interes mare. Sinteza elastomerilor foarte orientați duce la o acționare termică de deformare mare de-a lungul direcției lanțului polimeric, cu variații de temperatură, rezultând proprietăți mecanice unice și aplicații potențiale ca actuatori mecanici.
ionic
- EAP ionice , în care acționarea este cauzată de deplasarea ionilor în interiorul polimerului. Sunt necesare doar câteva volți pentru acționare, dar fluxul ionic implică o putere electrică mai mare necesară pentru acționare și este necesară energie pentru a menține actuatorul într-o poziție dată. Exemple de EAPS ionice sunt polimerii conductivi , compozitele ionice polimer-metal (IPMC) și gelurile receptive. Un alt exemplu este un actuator de gel Bucky, care este un strat suportat de polimeri din material polielectrolitic constând dintr-un lichid ionic cuprins între două straturi de electrod constând dintr-un gel de lichid ionic conținând nanotuburi de carbon cu perete unic . Numele provine din asemănarea gelului cu hârtia care poate fi făcută prin filtrarea nanotuburilor de carbon, așa-numitul buckypaper .
Lichid electroreologic
Fluidele electroreologice modifică vâscozitatea unei soluții cu aplicarea unui câmp electric. Fluidul este o suspensie de polimeri într-un lichid scăzut constant dielectric. Odată cu aplicarea unui câmp electric mare, vâscozitatea suspensiei crește. Aplicațiile potențiale ale acestor fluide includ amortizoare, suporturi pentru motor și amortizoare acustice.
Compozit ionic polimer-metal
Compozitele ionice polimer-metal constau dintr-o membrană ionomerică subțire cu electrozi metalici nobili plăcuți pe suprafața sa. De asemenea, are cationi pentru a echilibra sarcina anionilor fixați pe coloana vertebrală a polimerului. Acestea sunt elemente de acționare foarte active care prezintă o deformare foarte mare la tensiune aplicată scăzută și prezintă impedanță scăzută. Compozitele ionice polimer-metal funcționează prin atracția electrostatică între ioni contra cationici și catodul câmpului electric aplicat, o reprezentare schematică este prezentată în Figura 3. Aceste tipuri de polimeri arată cea mai mare promisiune pentru utilizări bio-mimetice, deoarece fibrele de colagen sunt în esență compus din polimeri ionici cu încărcare naturală. Nafion și Flemion sunt compozite ionice polimerice metalice utilizate în mod obișnuit.
Geluri sensibile la stimuli
Gelurile sensibile la stimuli (hidrogeluri, când agentul de umflare este o soluție apoasă) sunt un tip special de rețele polimerice umflabile cu comportament de tranziție de fază volumică. Aceste materiale își schimbă reversibil volumul, proprietățile optice, mecanice și alte proprietăți prin modificări foarte mici ale anumitor stimuli fizici (de exemplu câmp electric, lumină, temperatură) sau chimici (concentrații). Schimbarea volumului acestor materiale are loc prin umflare / micșorare și se bazează pe difuzie. Gelurile oferă cea mai mare modificare a volumului de materiale în stare solidă. Combinate cu o compatibilitate excelentă cu tehnologiile de microfabricare, în special hidrogelurile cu reacție la stimuli prezintă un interes crescând pentru microsistemele cu senzori și actuatori. Domeniile actuale de cercetare și aplicare sunt sistemele de senzori chimici, microfluidica și sistemele de imagistică multimodală.
Comparația EAP-urilor dielectrice și ionice
Polimerii dielectrici sunt capabili să-și mențină deplasarea indusă în timp ce sunt activați sub o tensiune continuă. Acest lucru permite luarea în considerare a polimerilor dielectrici pentru aplicații robotizate. Aceste tipuri de materiale au, de asemenea, o densitate mecanică ridicată a energiei și pot fi operate în aer fără o scădere majoră a performanței. Cu toate acestea, polimerii dielectrici necesită câmpuri de activare foarte mari (> 10 V / µm) care sunt aproape de nivelul de defalcare.
Activarea polimerilor ionici, pe de altă parte, necesită doar 1-2 volți. Cu toate acestea, trebuie să mențină umezeala, deși unii polimeri au fost dezvoltați ca activatori încapsulați de sine stătători, care permit utilizarea lor în medii uscate. Polimerii ionici au, de asemenea, o cuplare electromecanică redusă. Cu toate acestea, acestea sunt ideale pentru dispozitivele bio-mimetice.
Caracterizare
Deși există multe moduri diferite în care polimerii electroactivi pot fi caracterizați, doar trei vor fi abordate aici: curba tensiune-deformare, analiză termică mecanică dinamică și analiză termică dielectrică.
Curba stres-deformare
Curbele de deformare a stresului oferă informații despre proprietățile mecanice ale polimerului, cum ar fi fragilitatea, elasticitatea și rezistența la randament ale polimerului. Acest lucru se face oferind o forță polimerului la o rată uniformă și măsurând deformarea care rezultă. Un exemplu al acestei deformări este prezentat în Figura 4. Această tehnică este utilă pentru determinarea tipului de material (fragil, dur etc.), dar este o tehnică distructivă, deoarece stresul este crescut până la fracturarea polimerului.
Analiză termică mecanică dinamică (DMTA)
Ambele analize mecanice dinamice sunt o tehnică nedistructivă care este utilă în înțelegerea mecanismului de deformare la nivel molecular. În DMTA se aplică o tensiune sinusoidală pe polimer și, pe baza deformării polimerului, se obțin modulul elastic și caracteristicile de amortizare (presupunând că polimerul este un oscilator armonic amortizat ). Materialele elastice preiau energia mecanică a stresului și o transformă în energie potențială care poate fi recuperată ulterior. Un arc ideal va folosi toată energia potențială pentru a-și recâștiga forma originală (fără amortizare), în timp ce un lichid va folosi toată energia potențială pentru a curge, fără a reveni niciodată la poziția sau forma inițială (amortizare ridicată). Un polimer viscoelestic va prezenta o combinație a ambelor tipuri de comportament.
Analiză termică dielectrică (DETA)
DETA este similar cu DMTA, dar în loc de o forță mecanică alternativă se aplică un câmp electric alternativ. Câmpul aplicat poate duce la polarizarea eșantionului și dacă polimerul conține grupuri care au dipoli permanenți (ca în Figura 2), se vor alinia cu câmpul electric. Permitivitatea poate fi măsurată de variația amplitudinii și rezolvate în componente de stocare și pierderi dielectrice. Câmpul de deplasare electrică poate fi măsurat și prin urmărirea curentului. Odată ce câmpul este eliminat, dipolii se vor relaxa înapoi într-o orientare aleatorie.
Aplicații
Materialele EAP pot fi fabricate cu ușurință în diferite forme datorită ușurinței în prelucrarea multor materiale polimerice, făcându-le materiale foarte versatile. O aplicație potențială pentru EAP este că acestea pot fi integrate în sisteme microelectromecanice (MEMS) pentru a produce actuatoare inteligente.
Mușchii artificiali
Ca cea mai prospectivă direcție de cercetare practică, EAP-urile au fost utilizate în mușchii artificiali . Abilitatea lor de a imita funcționarea mușchilor biologici cu rezistență ridicată la fractură , tensiune mare de acționare și amortizare inerentă a vibrațiilor atrage atenția oamenilor de știință din acest domeniu.
Afișaje tactile
În ultimii ani, „polimerii electroactivi pentru afișajele Braille reîmprospătabile ” au apărut pentru a ajuta persoanele cu deficiențe de vedere în citirea rapidă și comunicarea asistată de computer. Acest concept se bazează pe utilizarea unui actuator EAP configurat sub formă de matrice. Rândurile de electrozi pe o parte a unui film EAP și coloanele pe cealaltă activează elemente individuale din matrice. Fiecare element este montat cu un punct Braille și este coborât prin aplicarea unei tensiuni pe grosimea elementului selectat, provocând reducerea locală a grosimii. Sub controlul computerului, punctele ar fi activate pentru a crea modele tactile de maxime și minime reprezentând informațiile de citit.
Impresiile vizuale și tactile ale unei suprafețe virtuale sunt afișate printr-un afișaj tactil de înaltă rezoluție, așa-numita „piele artificială” (Fig.6). Aceste dispozitive monolitice constau dintr-o serie de mii de modulatori multimodali (pixeli de acționare) pe baza hidrogelilor receptivi la stimuli. Fiecare modulator poate schimba individual transmisia, înălțimea și moliciunea. Pe lângă utilizarea lor posibilă ca afișaje grafice pentru persoanele cu deficiențe de vedere, aceste afișaje sunt interesante ca tastele programabile gratuite ale touchpad-urilor și consolelor.
Microfluidică
Materialele EAP au un potențial imens pentru microfluidice, de exemplu, ca sisteme de livrare a medicamentelor , dispozitive microfluidice și laborator-pe-un-cip . O primă tehnologie de platformă microfluidică raportată în literatură se bazează pe geluri receptive la stimuli. Pentru a evita electroliza apei, dispozitivele microfluidice pe bază de hidrogel se bazează în principal pe polimeri sensibili la temperatură cu caracteristici de temperatură critică mai scăzută a soluției (LCST), care sunt controlate de o interfață electrotermică. Sunt cunoscute două tipuri de micropompe, o micropompă de difuzie și o micropompă cu deplasare. Microvalvele bazate pe hidrogeli receptivi la stimuli prezintă unele proprietăți avantajoase, cum ar fi toleranța particulelor, lipsa scurgerilor și rezistența remarcabilă la presiune. Pe lângă aceste componente standard microfluidice, platforma hidrogel oferă și senzori chimici și o nouă clasă de componente microfluidice, tranzistoarele chimice (denumite și supape chimostatice). Aceste dispozitive reglează fluxul de lichid dacă se atinge o concentrație prag a anumitor substanțe chimice. Tranzistoarele chimice formează baza circuitelor integrate fluidice microchomecanice. „IC-urile chimice” procesează exclusiv informații chimice, sunt auto-alimentate cu energie, funcționează automat și sunt capabile de integrare pe scară largă.
O altă platformă microfluidică se bazează pe materiale ionomerice . Pompele fabricate din acel material ar putea oferi funcționare de joasă tensiune ( baterie ), semnătură de zgomot extrem de redusă, eficiență ridicată a sistemului și control extrem de precis al debitului.
O altă tehnologie care poate beneficia de proprietățile unice ale actuatoarelor EAP sunt membranele optice. Datorită modulului lor redus, impedanței mecanice a dispozitivelor de acționare, acestea sunt bine potrivite cu materialele comune ale membranei optice . De asemenea, un singur actuator EAP este capabil să genereze deplasări care variază de la micrometri la centimetri. Din acest motiv, aceste materiale pot fi utilizate pentru corectarea statică a formei și suprimarea jitterului. Aceste servomotoare ar putea fi folosite și pentru a corecta aberațiile optice datorate interferenței atmosferice.
Deoarece aceste materiale prezintă un caracter electroactiv excelent, materialele EAP prezintă potențial în cercetarea biomimetică- robot, senzorii de stres și domeniul acusticii , ceea ce va face ca EAP-urile să devină un subiect de studiu mai atractiv în viitorul apropiat. Acestea au fost utilizate pentru diferiți actuatori, cum ar fi mușchii feței și mușchii brațelor, în roboții umanoizi.
Directii viitoare
Domeniul PAE este departe de a fi matur, ceea ce lasă mai multe probleme pe care încă trebuie să le trateze. Performanța și stabilitatea pe termen lung a EAP ar trebui îmbunătățite prin proiectarea unei suprafețe impermeabile la apă . Acest lucru va preveni evaporarea apei conținute în EAP și, de asemenea, va reduce pierderea potențială a contraionilor pozitivi atunci când EAP funcționează scufundat într-un mediu apos . Conductivitatea îmbunătățită a suprafeței ar trebui explorată folosind metode pentru a produce o suprafață conductivă fără defecte. Acest lucru ar putea fi realizat folosind depunerea de vapori de metal sau alte metode de dopare. De asemenea, poate fi posibil să se utilizeze polimeri conductivi pentru a forma un strat conductiv gros. EAP rezistent la căldură ar fi de dorit pentru a permite funcționarea la tensiuni mai mari fără a deteriora structura internă a EAP datorită generării de căldură în compozitul EAP. Dezvoltarea EAP-urilor în diferite configurații (de exemplu, fibre și pachete de fibre) ar fi, de asemenea, benefică, pentru a crește gama posibilelor moduri de mișcare.