Polimery elektroaktywne - Electroactive polymers
Polimery elektroaktywne lub EAP to polimery, które pod wpływem pola elektrycznego wykazują zmianę rozmiaru lub kształtu . Najczęstsze zastosowania tego typu materiału to siłowniki i czujniki . Typową charakterystyczną właściwością EAP jest to, że będą one ulegać dużym odkształceniom przy jednoczesnym zachowaniu dużych sił .
Większość zabytkowych siłowników wykonana jest z ceramicznych materiałów piezoelektrycznych . Chociaż te materiały są w stanie wytrzymać duże siły, zwykle odkształcają się tylko ułamek procenta. Pod koniec lat 90. wykazano, że niektóre EAP mogą wykazywać naprężenie do 380% , czyli znacznie więcej niż jakikolwiek siłownik ceramiczny. Jednym z najczęstszych zastosowań EAP jest w dziedzinie robotyki rozwój sztucznych mięśni; dlatego polimer elektroaktywny jest często określany jako sztuczny mięsień .
Historia
Pole EAP pojawiło się w 1880 roku, kiedy Wilhelm Röntgen zaprojektował eksperyment, w którym przetestował wpływ pola elektrostatycznego na właściwości mechaniczne paska kauczuku naturalnego. Gumowy pasek był przymocowany na jednym końcu i przymocowany do masy na drugim. Ładunki elektryczne zostały następnie natryśnięte na gumę i zaobserwowano zmianę długości. Dopiero w 1925 roku odkryto pierwszy polimer piezoelektryczny ( Electret ). Elektretowy utworzono przez połączenie wosk karnauba , kalafonia i wosk pszczeli , a następnie oziębienie roztworu, podczas gdy podlega stosowane DC polaryzacji elektrycznej . Mieszanina zestalałaby się następnie w materiał polimerowy, który wykazywał efekt piezoelektryczny .
Polimery, które reagują na warunki środowiskowe inne niż zastosowany prąd elektryczny , również stanowią dużą część tego obszaru badań. W 1949 Katchalsky i in. wykazali, że gdy włókna kolagenowe zostaną zanurzone w roztworach kwasów lub zasad , zareagują zmianą objętości . Stwierdzono, że włókna kolagenowe rozszerzają się w kwaśnym roztworze i kurczą w roztworze alkalicznym . Chociaż badano inne bodźce (takie jak pH ), ze względu na ich łatwość i praktyczność większość badań poświęcono opracowaniu polimerów, które reagują na bodźce elektryczne w celu naśladowania układów biologicznych.
Kolejny duży przełom w EAP miał miejsce pod koniec lat sześćdziesiątych. W 1969 Kawai wykazał, że polifluorek winylidenu (PVDF) wykazuje duży efekt piezoelektryczny. Wywołało to zainteresowanie badaczy opracowaniem innych systemów polimerowych, które wykazywałyby podobny efekt. W 1977 roku pierwsze elektrycznie przewodzące polimery odkryli Hideki Shirakawa i in. Shirakawa wraz z Alanem MacDiarmidem i Alanem Heegerem wykazali, że poliacetylen przewodzi elektryczność i że domieszkując go parami jodu , mogą zwiększyć jego przewodnictwo o 8 rzędów wielkości. W ten sposób przewodność była zbliżona do przewodności metalu. Pod koniec lat 80. wykazano, że szereg innych polimerów wykazuje efekt piezoelektryczny lub jest przewodzący.
Na początku lat 90. opracowano jonowe kompozyty polimerowo-metalowe (IPMC) i wykazano, że wykazują właściwości elektroaktywne znacznie lepsze niż poprzednie EAP. Główną zaletą IPMC była możliwość wykazania aktywacji (odkształcenia) przy napięciu tak niskim jak 1 lub 2 wolty . To o rzędy wielkości mniej niż jakikolwiek poprzedni EAP. Energia aktywacji tych materiałów była nie tylko znacznie niższa, ale mogły one również ulegać znacznie większym deformacjom. Wykazano, że IPMC wykazują odkształcenie do 380%, rzędy wielkości większe niż wcześniej opracowane EAP.
W 1999 roku Yoseph Bar-Cohen zaproponował Armwrestling Match EAP Robotic Arm Against Human Challenge. To było wyzwanie, w którym grupy badawcze z całego świata rywalizowały o zaprojektowanie ramienia robota składającego się z mięśni EAP, które mogłoby pokonać człowieka w walce na rękę . Pierwsze wyzwanie odbyło się na konferencji Electroactive Polymer Actuators and Devices w 2005 roku. Kolejnym ważnym kamieniem milowym w tej dziedzinie jest to, że pierwsze opracowane komercyjnie urządzenie zawierające EAP jako sztuczny mięsień zostało wyprodukowane w 2002 roku przez firmę Eamex w Japonii. To urządzenie było rybą, która potrafiła samodzielnie pływać, poruszając ogonem za pomocą mięśnia EAP. Jednak postęp w praktycznym rozwoju nie był zadowalający.
Badania finansowane przez DARPA w latach 90. w SRI International i kierowane przez Rona Pelrine'a opracowały elektroaktywny polimer przy użyciu polimerów silikonowych i akrylowych; Technologia została wydzielona do firmy Artificial Muscle w 2003 roku, a produkcja przemysłowa rozpoczęła się w 2008 roku. W 2010 roku Artificial Muscle stała się spółką zależną Bayer MaterialScience .
Rodzaje
EAP może mieć kilka konfiguracji, ale generalnie dzieli się na dwie główne klasy: dielektryczną i jonową.
Dielektryk
Dielektryczne EAP to materiały, w których aktywacja jest spowodowana siłami elektrostatycznymi pomiędzy dwiema elektrodami, które ściskają polimer. Elastomery dielektryczne są zdolne do bardzo dużych naprężeń i są zasadniczo kondensatorami, które zmieniają swoją pojemność po przyłożeniu napięcia, pozwalając polimerowi na ściśnięcie na grubość i rozszerzenie obszaru pod wpływem pola elektrycznego. Ten typ EAP zazwyczaj wymaga dużego napięcia aktywacji, aby wytworzyć wysokie pola elektryczne (od setek do tysięcy woltów ), ale bardzo niskie zużycie energii elektrycznej . Dielektryczne EAP nie wymagają zasilania, aby utrzymać siłownik w danej pozycji. Przykładami są polimery elektrostrykcyjne i elastomery dielektryczne.
Polimery ferroelektryczne
Polimery ferroelektryczne to grupa krystalicznych polimerów polarnych, które są również ferroelektryczne , co oznacza, że utrzymują trwałą polaryzację elektryczną, którą można odwrócić lub przełączyć w zewnętrznym polu elektrycznym . Polimery ferroelektryczne, takie jak polifluorek winylidenu (PVDF), są stosowane w przetwornikach akustycznych i siłownikach elektromechanicznych ze względu na ich naturalną reakcję piezoelektryczną oraz jako czujniki ciepła ze względu na ich naturalną reakcję piroelektryczną .
Elektrostrykcyjne polimery szczepione
Elektrostrykcyjne polimery szczepione składają się z elastycznych łańcuchów szkieletowych z rozgałęzionymi łańcuchami bocznymi. Łańcuchy boczne na sąsiednich polimerach szkieletowych łączą się i tworzą jednostki krystaliczne. Jednostki kryształów łańcucha głównego i bocznego mogą następnie tworzyć spolaryzowane monomery, które zawierają atomy o cząstkowych ładunkach i generują momenty dipolowe, jak pokazano na rysunku 2. Po przyłożeniu pola elektrycznego do każdego ładunku cząstkowego przykładana jest siła i powoduje obrót całości jednostka polimerowa. Ten obrót powoduje naprężenie elektrostrykcyjne i odkształcenie polimeru.
Polimery ciekłokrystaliczne
Polimery ciekłokrystaliczne głównego łańcucha mają grupy mezogeniczne połączone ze sobą elastycznym łącznikiem. Mezogeny w szkielecie tworzą strukturę mezofazy powodując, że sam polimer przyjmuje konformację zgodną ze strukturą mezofazy. Bezpośrednie sprzężenie porządku ciekłokrystalicznego z konformacją polimeru wzbudziło duże zainteresowanie elastomerami ciekłokrystalicznymi łańcucha głównego. Synteza wysoce zorientowanych elastomerów prowadzi do oddziaływania termicznego o dużym naprężeniu wzdłuż kierunku łańcucha polimeru ze zmianami temperatury, co skutkuje wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i potencjalnymi zastosowaniami jako siłowniki mechaniczne.
joński
- EAP jonowe , w których aktywacja jest spowodowana przemieszczeniem się jonów wewnątrz polimeru. Do uruchomienia potrzebne jest tylko kilka woltów, ale przepływ jonów oznacza wyższą moc elektryczną potrzebną do uruchomienia, a do utrzymania siłownika w danej pozycji potrzebna jest energia. Przykładami jonowych EAPS są polimery przewodzące , jonowe kompozyty polimer-metal (IPMC) i reagujące żele. Jeszcze innym przykładem jest urządzenie uruchamiające żel Bucky'ego, które jest warstwą materiału polielektrolitowego na nośniku polimerowym , składającą się z cieczy jonowej umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami elektrod, składającej się z żelu cieczy jonowej zawierającej jednościenne nanorurki węglowe . Nazwa pochodzi od podobieństwa żelu do papieru, który można wytworzyć poprzez filtrowanie nanorurek węglowych, tzw. buckypaper .
Płyn elektroreologiczny
Płyny elektroreologiczne zmieniają lepkość roztworu za pomocą pola elektrycznego. Płyn jest zawiesiną polimerów w cieczy o niskiej stałej dielektrycznej. Przy zastosowaniu dużego pola elektrycznego wzrasta lepkość zawiesiny. Potencjalne zastosowania tych płynów obejmują amortyzatory, mocowania silnika i tłumiki akustyczne.
Jonowy kompozyt polimerowo-metalowy
Jonowe kompozyty polimer-metal składają się z cienkiej membrany jonomerycznej, na której powierzchni osadzone są elektrody z metali szlachetnych. Zawiera również kationy, które równoważą ładunek anionów przymocowanych do szkieletu polimeru. Są to bardzo aktywne siłowniki, które wykazują bardzo duże odkształcenia przy niskim przyłożonym napięciu i wykazują niską impedancję. Jonowe kompozyty polimerowo-metalowe działają poprzez przyciąganie elektrostatyczne między kationowymi przeciwjonami a katodą przyłożonego pola elektrycznego, schematyczne przedstawienie pokazano na rysunku 3. Te typy polimerów są najbardziej obiecujące dla zastosowań biomimetycznych, ponieważ włókna kolagenowe są zasadniczo składa się z naturalnych naładowanych polimerów jonowych. Nafion i Flemion są powszechnie stosowanymi jonowymi kompozytami polimerowo-metalowymi.
Żele reagujące na bodźce
Żele reagujące na bodźce (hydrożele, gdy środkiem pęczniejącym jest roztwór wodny) są specjalnym rodzajem pęczniejących sieci polimerowych z zachowaniem objętościowej przemiany fazowej. Materiały te zmieniają odwracalnie swoją objętość, właściwości optyczne, mechaniczne i inne przez bardzo małe zmiany pewnych bodźców fizycznych (np. pole elektryczne, światło, temperatura) lub chemicznych (stężenia). Zmiana objętości tych materiałów następuje poprzez pęcznienie/kurczenie i jest oparta na dyfuzji. Żele zapewniają największą zmianę objętości materiałów w stanie stałym. W połączeniu z doskonałą kompatybilnością z technologiami mikrowytwarzania, szczególnie hydrożele reagujące na bodźce cieszą się coraz większym zainteresowaniem mikrosystemów z czujnikami i siłownikami. Aktualnymi obszarami badań i zastosowań są systemy czujników chemicznych, mikroprzepływy i systemy obrazowania multimodalnego.
Porównanie dielektrycznych i jonowych EAP
Polimery dielektryczne są w stanie utrzymać indukowane przemieszczenie podczas aktywacji pod napięciem stałym. Pozwala to na uwzględnienie polimerów dielektrycznych w zastosowaniach robotycznych. Tego typu materiały mają również wysoką gęstość energii mechanicznej i mogą być eksploatowane w powietrzu bez znacznego spadku wydajności. Jednak polimery dielektryczne wymagają bardzo wysokich pól aktywacji (>10 V/µm), które są bliskie poziomowi przebicia.
Z drugiej strony aktywacja polimerów jonowych wymaga tylko 1-2 woltów. Muszą jednak zachowywać wilgotność, chociaż niektóre polimery zostały opracowane jako samodzielne, kapsułkowane aktywatory, co umożliwia ich stosowanie w suchym środowisku. Polimery jonowe mają również niskie sprzężenie elektromechaniczne. Są jednak idealne do urządzeń biomimetycznych.
Charakteryzacja
Chociaż istnieje wiele różnych sposobów scharakteryzowania polimerów elektroaktywnych, tylko trzy zostaną omówione tutaj: krzywa naprężenia-odkształcenia, dynamiczna analiza mechaniczno-termiczna i analiza dielektryczno-termiczna.
Krzywa naprężenie-odkształcenie
Krzywe naprężenie-odkształcenie dostarczają informacji o właściwościach mechanicznych polimeru, takich jak kruchość, elastyczność i granica plastyczności polimeru. Odbywa się to poprzez przykładanie siły do polimeru o równomiernej szybkości i pomiar deformacji, które wynika. Przykład tego odkształcenia pokazano na rysunku 4. Technika ta jest przydatna do określania rodzaju materiału (kruche, wytrzymałe itp.), ale jest to technika destrukcyjna, ponieważ naprężenie wzrasta aż do pęknięcia polimeru.
Dynamiczna analiza mechaniczno-termiczna (DMTA)
Zarówno dynamiczna analiza mechaniczna jest techniką nieniszczącą, która jest przydatna w zrozumieniu mechanizmu deformacji na poziomie molekularnym. W DMTA do polimeru przykładane jest naprężenie sinusoidalne i na podstawie jego odkształcenia uzyskuje się moduł sprężystości i charakterystykę tłumienia (przy założeniu, że polimer jest tłumionym oscylatorem harmonicznym ). Materiały elastyczne przejmują energię mechaniczną naprężenia i przekształcają ją w energię potencjalną, którą można później odzyskać. Idealna sprężyna wykorzysta całą energię potencjalną, aby odzyskać swój pierwotny kształt (brak tłumienia), podczas gdy ciecz wykorzysta całą energię potencjalną na przepływ, nigdy nie wracając do swojej pierwotnej pozycji lub kształtu (wysokie tłumienie). Polimer lepkosprężysty będzie wykazywał kombinację obu typów zachowań.
Analiza termiczna dielektryczna (DETA)
DETA jest podobny do DMTA, ale zamiast zmiennej siły mechanicznej stosowane jest zmienne pole elektryczne. Przyłożone pole może prowadzić do polaryzacji próbki, a jeśli polimer zawiera grupy, które mają stałe dipole (jak na rysunku 2), zrównają się one z polem elektrycznym. Dielektryczna może być mierzona od zmian amplitudy i rozwiązane w pamięci dielektrycznych i strat składników. Pole przemieszczenia elektrycznego można również zmierzyć, podążając za prądem. Gdy pole zostanie usunięte, dipole zrelaksują się z powrotem do losowej orientacji.
Aplikacje
Materiały EAP można łatwo wytwarzać w różnych kształtach ze względu na łatwość przetwarzania wielu materiałów polimerowych, co czyni je bardzo wszechstronnymi materiałami. Jednym z potencjalnych zastosowań EAP jest możliwość ich integracji z systemami mikroelektromechanicznymi (MEMS) w celu produkcji inteligentnych siłowników.
Sztuczne mięśnie
Jako najbardziej perspektywiczny praktyczny kierunek badań, EAP zostały wykorzystane w sztucznych mięśniach . Uwagę naukowców w tej dziedzinie zwracają ich zdolność do naśladowania pracy mięśni biologicznych o wysokiej odporności na pękanie , duże obciążenie uruchamiające i własne tłumienie drgań.
Wyświetlacze dotykowe
W ostatnich latach pojawiły się „elektroaktywne polimery do odświeżanych wyświetlaczy brajlowskich ”, aby pomóc osobom niedowidzącym w szybkim czytaniu i komunikacji wspomaganej komputerowo. Koncepcja ta opiera się na wykorzystaniu siłownika EAP skonfigurowanego w formie tablicy. Rzędy elektrod po jednej stronie folii EAP i kolumny po drugiej aktywują poszczególne elementy w szyku. Każdy element jest montowany za pomocą kropki Braille'a i jest obniżany poprzez przyłożenie napięcia na całej grubości wybranego elementu, powodując lokalne zmniejszenie grubości. Pod kontrolą komputera kropki byłyby aktywowane, aby tworzyć dotykowe wzorce wzlotów i dołków reprezentujących informacje do odczytania.
Wizualne i dotykowe wrażenia wirtualnej powierzchni są wyświetlane przez dotykowy wyświetlacz o wysokiej rozdzielczości, tak zwaną „sztuczną skórę” (ryc. 6). Te monolityczne urządzenia składają się z szeregu tysięcy multimodalnych modulatorów (pikseli aktywatora) opartych na hydrożelach reagujących na bodźce. Każdy modulator jest w stanie indywidualnie zmienić swoją transmisję, wysokość i miękkość. Oprócz możliwości wykorzystania jako wyświetlacze graficzne dla osób niedowidzących, wyświetlacze takie są interesujące jako swobodnie programowalne klawisze touchpadów i konsol.
Mikroprzepływy
Materiały EAP mają ogromny potencjał dla mikroprzepływów, np. jako systemy dostarczania leków , urządzenia mikroprzepływowe i lab-on-a-chip . Pierwsza opisana w literaturze technologia platformy mikroprzepływowej opiera się na żelach reagujących na bodźce. Aby uniknąć elektrolizy, urządzenia mikroprzepływowe na bazie hydrożelu wodnego opierają się głównie na polimerach reagujących na temperaturę o charakterystyce niższej krytycznej temperatury roztworu (LCST), które są kontrolowane przez interfejs elektrotermiczny. Znane są dwa typy mikropomp: mikropompa dyfuzyjna i mikropompa wyporowa. Mikrozawory oparte na hydrożelach reagujących na bodźce wykazują pewne korzystne właściwości, takie jak tolerancja cząstek, brak przecieków i wyjątkowa odporność na ciśnienie. Oprócz tych standardowych elementów mikroprzepływowych platforma hydrożelowa zapewnia również czujniki chemiczne i nową klasę elementów mikroprzepływowych, tranzystory chemiczne (zwane również zaworami chemostatycznymi). Urządzenia te regulują przepływ cieczy po osiągnięciu progowego stężenia określonej substancji chemicznej. Tranzystory chemiczne stanowią podstawę mikrochemomechanicznych płynnych układów scalonych. „Chemiczne układy scalone” przetwarzają wyłącznie informacje chemiczne, są zasilane energią, działają automatycznie i są zdolne do integracji na dużą skalę.
Kolejna platforma mikroprzepływowa oparta jest na materiałach jonomerycznych . Pompy wykonane z tego materiału mogą zapewniać pracę przy niskim napięciu ( akumulator ), wyjątkowo niski poziom hałasu, wysoką wydajność systemu i bardzo dokładną kontrolę natężenia przepływu.
Inną technologią, która może skorzystać z wyjątkowych właściwości siłowników EAP, są membrany optyczne. Ze względu na niski moduł, mechaniczną impedancję elementów wykonawczych, są one dobrze dopasowane do powszechnie stosowanych materiałów membran optycznych . Ponadto pojedynczy siłownik EAP może generować przemieszczenia w zakresie od mikrometrów do centymetrów. Z tego powodu materiały te mogą być używane do statycznej korekcji kształtu i tłumienia drgań. Siłowniki te mogą być również wykorzystywane do korygowania aberracji optycznych spowodowanych zakłóceniami atmosferycznymi.
Ponieważ materiały te wykazują doskonały charakter elektroaktywny, materiały EAP wykazują potencjał w badaniach nad robotami biomimetycznymi , czujnikami naprężeń i akustyką , co sprawi, że EAP staną się atrakcyjniejszym tematem badań w niedalekiej przyszłości. Były używane do różnych elementów wykonawczych, takich jak mięśnie twarzy i mięśnie ramion w robotach humanoidalnych.
Przyszłe kierunki
Dziedzina EAP jest daleka od dojrzałej, co pozostawia kilka kwestii, nad którymi trzeba jeszcze popracować. Wydajność i długoterminową stabilność EAP należy poprawić poprzez zaprojektowanie nieprzepuszczalnej dla wody powierzchni. Zapobiegnie to parowaniu wody zawartej w EAP, a także zmniejszy potencjalną utratę dodatnich przeciwjonów, gdy EAP działa w zanurzeniu w środowisku wodnym . Poprawę przewodności powierzchni należy zbadać za pomocą metod pozwalających uzyskać powierzchnię przewodzącą wolną od defektów. Można to zrobić za pomocą naparowywania metali lub innych metod domieszkowania. Możliwe jest również wykorzystanie polimerów przewodzących w celu utworzenia grubej warstwy przewodzącej. Odporny na ciepło EAP byłby pożądany, aby umożliwić działanie przy wyższych napięciach bez uszkadzania wewnętrznej struktury EAP z powodu wytwarzania ciepła w kompozycie EAP. Korzystne byłoby również opracowanie EAP w różnych konfiguracjach (np. włókien i wiązek włókien), w celu zwiększenia zakresu możliwych trybów ruchu.