Summary
Denne artikel beskriver en hurtig og enkel fremstillingsproces af ioniske elektromekanisk aktive kompositmaterialer til aktuatorer i biomedicinske, biomimetiske og bløde robotapplikationer. De vigtigste fabrikationstrin, deres betydning for aktuatorernes endelige egenskaber og nogle af de vigtigste karakteriseringsteknikker er beskrevet i detaljer.
Abstract
Ioniske elektromekanisk aktive kapacitive laminater er en type smart materiale, der bevæger sig som reaktion på elektrisk stimulation. På grund af denne deformations bløde, kompatible og biomimetiske karakter har aktuatorer fremstillet af laminatet fået stigende interesse for blød robotteknologi og (bio)medicinske anvendelser. Metoder til let at fremstille det aktive materiale i store (selv industrielle) mængder og med en høj batch-til-batch og in-batch repeterbarhed er imidlertid nødvendige for at overføre viden fra laboratorium til industri. Denne protokol beskriver en enkel, industrielskalerbar og reproducerbar metode til fremstilling af ioniske kulstofbaserede elektromekanisk aktive kapacitive laminater og fremstilling af aktuatorer fremstillet heraf. Medtagelsen af et passivt og kemisk inert (uopløseligt) mellemlag (f.eks. et tekstilforstærket polymernetværk eller mikroporøs Teflon) adskiller metoden fra andre. Protokollen er opdelt i fem trin: membran forberedelse, elektrode forberedelse, nuværende kollektor vedhæftet fil, skæring og formning, og aktivering. Efter protokollen resulterer i et aktivt materiale, der for eksempel kompatibelt kan gribe og holde et tilfældigt formet objekt som vist i artiklen.
Introduction
Ioniske elektromekanisk aktive polymer- eller polymerkompositter er i sig selv bløde og kompatible materialer, der har fået stigende interesse for forskellige bløde robotteknologi og biomimetiske anvendelser (f.eks. som aktuatorer, gribere eller bioinspirerede robotter1,2). Denne type materiale reagerer på elektriske signaler i området af et par volt, hvilket gør dem nemme at integrere med konventionel elektronik og strømkilder3. Mange forskellige typer af ioniske aktuator grundmaterialer er tilgængelige, som beskrevet i detaljer andetsteds4,og igen for ganske nylig5. Desuden er det for nylig blevet særlig understreget, at udviklingen af soft robotic-udstyr vil være meget tæt forbundet med udviklingen af avancerede fremstillingsprocesser for relevante aktive materialer og komponenter6. Desuden er betydningen af et effektivt og veletableret procesflow i udarbejdelsen af reproducerbare aktuatorer, der har potentiale til at flytte fra laboratoriet til industrien, også blevet fremhævet i tidligere metodersbaserede undersøgelser7.
I løbet af de sidste årtier er der udviklet eller tilpasset mange fabrikationsmetoder til fremstilling af aktuatorer (f.eks. lag-for-lag støbning8 og hot-pressing9,10, imprægnering-reduktion11, maling12,,13,eller sputtering og efterfølgende elektrokemisk syntese14,15, inkjet trykning16 og spin-coating17); nogle metoder er mere universelle, og nogle er mere begrænsende med hensyn til materialevalg end andre. Men mange af de nuværende metoder er temmelig kompliceret og / eller mere egnet til laboratorieskala fabrikation. Den nuværende protokol fokuserer på en hurtig, repeterbar, pålidelig, automatiseret og skalerbar aktuatorfabrikationsmetode til fremstilling af aktive laminater med lav batch-til-batch og variation i batchen og en lang aktuatorlevetid18. Denne metode kan bruges af materialeforskere til at udvikle højtydende aktuatorer til den næste generation af bioinspirerede applikationer. Desuden giver efterdenne metode uden ændringer soft robotics ingeniører og lærere et aktivt materiale til udvikling og prototyping af nye enheder, eller til undervisning i soft robotics koncepter.
Ioniske elektromekanisk aktive polymer- eller polymeraktuatorer er typisk fremstillet af to- eller trelagslaminarkompositter og bøjes som reaktion på elektrisk stimulation i området med få volt (figur 1). Denne bøjningsbevægelse skyldes hævelses- og sammentrækningseffekterne i elektrodelagene, og den medbringes typisk enten ved hjælp af faradiske (redox) reaktioner på elektroderne (f.eks. i tilfælde af elektromekanisk aktive polymerer (EOP'er) som de ledende polymerer) eller ved kapacive ladninger af dobbeltlaget (f.eks. i kulstofbaserede polymerelektroder, hvor polymeren kun kan fungere som bindemiddel). I denne protokol (figur 2) fokuserer vi på sidstnævnte; vi viser fremstillingen af en elektromekanisk aktiv komposit, der består af to højt specifikke overfladeareal elektronisk ledende kulstofbaserede elektroder, der er adskilt af en inaktiv ion-ledende membran, der letter bevægelsen af kationer og anioner mellem elektroderne - en konfiguration meget lig superkondensatorerne. Denne type aktuator bøjer som reaktion på kapacitive opladning/udledning, og den deraf følgende hævelse/sammentrækning af elektroderne tilskrives typisk forskellene i volumen og mobilitet af kationer og anioner af elektrolytten8,10,19. Medmindre overfladefunktionaliseret kulstof anvendes som det aktive materiale, eller den kapacitive komposit anvendes uden for elektrokemiskstabilitetspotentialevinduet i elektrolytten, forventes der ikke at finde faradaiske reaktioner sted på denne type elektroder20. Manglen på faradaiske reaktioner er den største bidragyder til denne aktuators gavnlige levetid (dvs. tusindvis af cyklusser i luft8,18 vist for forskellige kapacitive aktuatorer).
Figur 1: Strukturen af den kulstofbaserede aktuator i neutral (A) og i aktueret tilstand (B). (B) fremhæver også de vigtigste egenskaber, der bestemmer en ionisk aktuators ydeevne. Bemærk: Tallet er ikke tegnet til skala. Ionstørrelse er blevet overdrevet for at illustrere den mest almindeligt citerede aktiveringsmekanisme, der er fremherskende i tilfælde af en inaktiv membran, der muliggør mobilitet for både anioner og kationer af elektrolytten (f.eks. ionisk væske). Klik her for at se en større version af dette tal.
Opnåelse af en funktionel membran, der forbliver intakt gennem hele fremstillingsprocessen er et af de vigtigste trin i den vellykkede aktuator forberedelse. En højtydende membran til en aktuator er så tynd som muligt og muliggør ionisk ledningsevne mellem elektroderne, mens enhver elektronisk ledningsevne blokeres. Den ioniske ledningsevne i membranen kan skyldes at kombinere elektrolytten med et inert porøst netværk (f.eks. den metode, der anvendes i denne protokol) eller ved brug af specifikke polymerer med kovalent bundet ioniserede enheder eller andre grupper, der muliggør interaktioner med elektrolytten. Den tidligere tilgang foretrækkes her for sin enkelhed, mens specifikt skræddersyede interaktioner mellem elektrolytten og polymernetværket også kan have fordele, hvis ugunstige interaktioner (f.eks. blokering eller opbremsning af ionbevægelse betydeligt på grund af interaktioner) kan udelukkes. Det store udvalg af ionomeriske eller på anden måde aktive membraner til elektromekanisk aktive aktuatorer og deres deraf følgende aktiveringsmekanismer er blevet gennemgået for nylig21. Membranvalget spiller ud over elektrodevalget en afgørende rolle for aktuatorens ydeevne, levetid og aktiveringsmekanisme. Den nuværende protokol fokuserer primært på inaktive membraner, der giver den porøse struktur til ionmigration (som vist på figur 1), selv om dele af protokollen (f.eks. membranvalg C) også kan vise sig at være gavnlige for aktive membraner.
Ud over membranmaterialevalget spiller dens fabrikationsmetode også en vigtig rolle i opnåelsen af en funktionel separator til kompositten. Tidligere anvendte støbte membraner har tendens til at smelte under det senere hot-pressing trin og kan derfor danne kortslutningshotspots22. Desuden har kommercielle ionomeriske membraner (f.eks. Nafion) tendens til at svulme op og spænde betydeligt som reaktion på opløsningsmidler, der anvendes i de senere fremstillingstrin12, og nogle polymerer (f.eks. cellulose23) er kendt for at opløse spænd i nogle ioniske væsker, hvilket muligvis kan forårsage problemer med fabrikationsprocessens repeterbarhed og resulterer i dårlig ensartethed af elektroderne. Derfor fokuserer denne protokol på aktuatorer med en integreret passiv og kemisk inaktiv komponent i membranen (f.eks. glasfiber eller silke med PVDF eller PTFE), der forhindrer kompositten i at blive hævelser og bukker i senere fabrikationstrin eller danner kortslutningshotspots. Desuden forenkler tilføjelsen af en inert og passiv komponent fremstillingsprocessen betydeligt og muliggør større batchstørrelser sammenlignet med mere traditionelle metoder.
Medtagelsen af en passiv forstærkning i membranen blev først introduceret af Kaasik etal. 18 for at løse ovennævnte problemer i aktuatorfremstillingsprocessen. Medtagelsen af en vævet tekstilforstærkning (se også figur 3B og 3D) giver yderligere mulighed for at integrere værktøjer i den aktive komposit24 eller til at udvikle intelligente tekstiler18. Membranmulighed C i protokollen er derfor mere velegnet til sådanne anvendelser. I tilfælde af miniaturiserede aktuatorer (i submillimeter-niveauet) bliver det passive til aktive komponentforhold i membranen imidlertid mere og mere ugunstigt, og medtagelsen af en bestilt tekstilforstærkning kan begynde at påvirke aktuatorens ydeevne negativt og prøve-til-prøve-repeterbarheden. Desuden kan retningen af forstærkningen (langs eller diagonalt i forhold til bøjningsretningen) påvirke ydeevnen af mere komplekst formede aktuatorer uventet. Derfor ville en mindre ordnet og meget porøs inert struktur være mere gavnligt for miniaturiserede aktuatorer og mere komplekse aktuatorformer.
Polytetrafluorethylen (PTFE, også kendt under handelsnavnet Teflon) er en af de mest inaktive polymerer kender til dato. Det er typisk meget hydrofob, men overfladebehandlede versioner, der er gjort hydrofile eksisterer, som er lettere anvendelige i aktuatorfremstilling. Figur 3A illustrerer den tilfældige struktur af en inaktiv hydrofil PTFE-filtreringsmembran, der blev anvendt i denne protokol til aktuatorpræparat. Ud over ensartetheden af dette materiale i alle retninger, der er gavnligt for at skære ud miniaturiserede aktuatorer eller komplekse former, ved hjælp af en kommerciel filtrering membran med kontrolleret porøsitet yderligere forenkler aktuator fremstillingsprocessen ved næsten at fjerne behovet for enhver membran forberedelse. Desuden er membrantykkelser så lave som 30 μm yderst vanskelige at opnå i den tidligere beskrevne tekstilforstærkede konfiguration. Derfor bør PTFE-baserede aktuatorfabrikationsmetoder (løsningsmodel A og B) fra denne protokol foretrækkes i de fleste tilfælde, ibetragtning af at mulighed A er hurtigere, men aktuatorer, der foretages ved hjælp af løsningsmodel B, viser større stammer (i det frekvensområde, der er vist i figur 4B). Den bløde griber, der blev introduceret i afsnittet om repræsentative resultater, blev også fremstillet ved hjælp af PTFE membranen, der først blev dyppet i elektrolyt.
Når der er forberedt en funktionel membran, fortsætter protokollen med elektrodepræparatet og strømopsamlertilbehøret. De kulstofbaserede elektroder tilsættes ved hjælp af spray-coating – en industrielt etableret procedure, der muliggør høj kontrol over den resulterende elektrodelagstykkelse. Mere ensartede elektroder fremstilles med spraybelægning sammenlignet med for eksempel støbemetoden (eller muligvis også andre flydende metoder), hvor sedimentering af kulstofpartikler underfilmtørringen 25 vides at forekomme. Desuden er et yderligere træk ved den præsenterede fabrikationsmetode baseret på strategien for valg af opløsningsmidler, som er vigtigst i tilfælde af tekstilforstærkede membraner. Mere præcist opløses 4-methyl-2-pentanon (opløsningsmidlet i elektrodesuspensionen og limopløsningen) ikke de inertmembranforstærkninger eller PVDF, der anvendes i membranopløsningen i den tekstilforstærkede membran. Derfor reduceres risikoen for at skabe kortslutningshotspots i kompositten under spraybelægningen yderligere.
Det kapacitive laminat er allerede aktivt efter påføring af kulstofelektroder. Men en størrelsesorden hurtigere aktuatorer26 opnås med anvendelse af guld nuværende samlere. Et andet vigtigt skridt i protokollen er fastgørelsen af strømsamlere, mens den tilsvarende elektrode er i strakt tilstand (dvs. kompositten er bøjet). Derfor, i den neutrale flade tilstand af aktuatoren, vil guldbladet blive spændt i submillimeter niveau. Denne buffering-by-buckling27 tilgang muliggør højere deformationer uden at bryde end ellers ville være muligt for en bøde (~ 100 nm) metalplade.
Alle aktuatorfremstillingstrinne (membranforberedelse, elektrodesprøjtning, fast opsamlertilbehør) er også sammenfattet i figur 2. Til præstationskarakteriseringsdemonstrationen har vi forberedt en griber, der kompatibelt griber, holder og frigiver et tilfældigt formet objekt med en tilfældig overfladetekstur. Enklere geometrier, såsom rektangulære prøver med 1:4 eller højere højde-bredde-forhold (f.eks. 4 mm til 20 mm eller endda 1 mm til 20 mm28) skåret ud af det aktive materiale og fastspændt i cantilever position er også meget typisk for materiale karakterisering eller andre applikationer udnytte bøjning-type adfærd.
Artiklen slutter med en kort introduktion til den typiske ioniske elektromekanisk aktive kapacitive materiale karakterisering og fejlfinding teknikker ved hjælp af enklere rektangulæraktuator geometri. Vi viser, hvordan man bruger fælles elektrokemiske karakteriseringsteknikker som cyklisk voltammetri (CV) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) til at karakterisere og fejlfinde aktuatormaterialet mere detaljeret. Visualiseringen af kompositten i sub-millimeter niveau sker ved hjælp af scanning elektron mikroskopi (SEM), som vi bruger kryo-frakturering teknik til at forberede prøverne. Materialets polymeriske karakter gør det vanskeligt at opnå klare tværsnit med blot almindelig skæring. Men brud frosne prøver resulterer i veldefinerede tværsnit.
Figur 2: Oversigt over fremstillingsprocessen. De vigtigste skridt fremhæves. Klik her for at se en større version af dette tal.
Protocol
FORSIGTIG: Mange kemikalier og komponenter, der anvendes i denne protokol, er farlige, og se de relevante sikkerhedsdatablade (SDS) for yderligere oplysninger, før forsøget påbegyndes. Brug en røghætte og personlige værnemidler (handsker, briller, laboratoriekittel) ved håndtering af flygtige opløsningsmidler under forsøget (f.eks. under fremstilling af opløsninger, gør den forstærkede membran, spray-belægning elektroderne og fastgørelse af strømfangere). Undgå direkte hudkontakt med den endelige komposit (medmindre den er indkapslet28) ved altid at bære handsker.
1. Fremstilling af separatormembranen
- Tag en ramme, såsom en broderiramme.
BEMÆRK: Vi har brugt standardrammestørrelser fra 7,5 cm til 25 cm afhængigt af den ønskede batchstørrelse. Vigtigst er det, bør rammen være lavet af materialer, der kan modstå opløsningsmidler og andre materialer, der anvendes i opskriften. For eksempel anvendes en polypropylen broderiramme i denne protokol. Hvis du er usikker, anbefales det dog at udføre en opløsningsmiddeltest på rammen. - Vælg mellem indstillinger A til C (beskrevet ovenfor og præsenteret i figur 2) for at finde den mest egnede membrankonfiguration til den planlagte anvendelse. Kun én ud af de tre membraner er nødvendig for at forberede funktionelt aktuatormateriale.
- Mulighed A: Brug af meget porøse kommercielle filtreringsmembraner til fremstilling af ionledende separatorer
- Tag en høj porøsitetfiltreringsmembran (såsom et 30 μm tykt, 80% porøsitet PTFE membranfilter). Hvis standardfilteret er for stort til rammen, skal du skære det i form ved hjælp af en saks. Skær membranen mellem overførselsark for at undgå forurening.
- Fastgør og stram den tørre filtreringsmembran på rammen.
BEMÆRK: Nogle filtreringsmembraner kan være temmelig skrøbelige i tør tilstand. Fastgør tørre membraner ekstremt omhyggeligt for at undgå at rive. - Flyt til trin 2 for at fortsætte med det elektromekanisk aktive kompositpræparat.
- Mulighed B: Brug af elektrolyt-imprægnerede kommercielle filtreringsmembraner til fremstilling af ionledende separatorer
- Tag en høj porøsitetfiltreringsmembran (såsom et 30 μm tykt, 80% porøsitet PTFE membranfilter). Hvis standardfilteret er for stort til rammen, skal du skære det i form ved hjælp af en saks. Skær membranen mellem overførselsark for at undgå forurening.
- Optag den tørre membranmasse ved hjælp af en analytisk balance for at beregne elektrolytoptagelse senere. Dette trin er kun nødvendigt til batch-til-batch-repeterbarhedsovervågning og kan ellers springes over.
- Den tørre membran anbringes i en petriskål, og der anvendes en pipette til at tilsætte et overskud af ionisk væske (f.eks. 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethansulfonat ([EMIM][OTf])).
FORSIGTIG: Brug handsker for at forhindre hudkontakt. - Vip petriskiven en smule for at sikre, at hele membranen er dækket med ionisk væske, eller brug en pipette til at overføre ionisk væske til områder, hvor membranen stadig er tør.
- Lad membranen suge i ionisk væske for at opnå maksimal elektrolytoptagelse.
- Når membranen er tilstrækkeligt gennemblødt (i videoen efter ca 1 minut), pipet off det meste af den overskydende ioniske væske.
- Brug pincet, omhyggeligt placere membranen mellem filterpapirer at fjerne resten af den ioniske væske, der ikke er blevet absorberet af membranen. Den endelige membran skal være halvgennemsigtig, men ikke våd.
- Massen af den gennemblødte og tørrede membran opregistreres fra trin 1.4.7 ved hjælp af en analysebalance. Dette trin er kun nødvendigt til batch-til-batch-repeterbarhedsovervågning og kan ellers springes over.
BEMÆRK: I tilfælde af meget porøse PTFE-membraner og relativt ioniske væsker med lav viskositet (f.eks. [EMIM][OTf]) opnås maksimal ionisk væskeoptagelse næsten øjeblikkeligt. Brug af forskellige ioniske væsker og forskellige (mindre porøse) kommercielle polymermembraner kan resultere i længere iblødsætningstider. Et sådant behov kan bestemmes ved at gentage trin 1.4.1 til 1.4.8. indtil der opnås en konstant membranmasse. Men hvis elektrolytten er for tyktflydende eller membranen ikke porøs nok så aktuatorens ydeevne måske ikke være meget høj enten. - Fastgør og stram den gennemblødte og tørrede membran på rammen undgå rynker og folder.
- Mulighed C:Fremstilling af en ionledende tekstilforstærket membran, der kan være nyttig, når man planlægger at bruge brugerdefinerede polymerer (dvs. polymerer, der ikke er tilgængelige som kommercielle (filtrerings)membraner), brugerdefinerede membrantykkelser, ioniske væsker med højere viskositet eller ved integration af værktøjer i aktuatoren. Her viser vi den grundlæggende procedure for tekstilforstærket membranfabrikation, der for eksempel kan ændres til at omfatte værktøj eller slanger (se Ref24for at få flere oplysninger).
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 2 g polyvinylidenfluorid (PVDF), 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]), 4 ml propylencarbonat (PC) og 18 ml N,N-dimethylacetamid (DMAc).
FORSIGTIG: DMAc og PC er giftige og sundhedsmæssige farer og kan irritere hud og øjne. Håndter med omhu, brug en røghætte og personlige værnemidler. - Der tilsættes en magnetisk omrørerstang, og kolben lukkes med en prop.
- Kolben forsegles med en polyethylenbaseret laboratoriestrækfilm for at forhindre fordampning af opløsningsmidler.
BEMÆRK: Brug en strækfilm, der kan modstå omrøring ved 70 °C (f.eks. er parafilms smeltepunkt kun 60 °C, og derfor vil Parafilm ikke være egnet til denne anvendelse). - Opløsningen omrøres natten over ved 70 °C ved hjælp af en magnetomrører og en temperaturstyret kogeplade. Indstil omrøringshastigheden til medium. For høj omrøringshastighed kan medføre for meget luft i opløsningen, mens for langsom omrøring kan resultere i betydeligt længere tilberedningstid.
BEMÆRK: Eksperimentet kan sættes på pause her og fortsættes senere. Den forberedte opløsning kan opbevares i et forseglet kar i en længere periode. Genopvarmning og bland den opbevarede opløsning, før den begynder at bruge den igen (blanding ved 70 °C i 1 time er typisk tilstrækkeligt). - Skær et stykke stof ud (f.eks. silke- eller glasfiberklud) med en saks.
BEMÆRK: Tekstiler med inert fibersammensætning såsom silke eller glasfiber fungerer bedst, fordi opløsningsmidler fra membranopløsningen ikke opløses disse. Det tilrådes dog at udføre en opløsningsmiddeltest, før der foretages en stofbehandling. Letvægtsstoffer foretrækkes, fordi disse stoffer påvirker aktiveringen af den endelige komposit mindst. I videoen har vi brugt vævet silkestof (11,5 g/m2). - Fastgør og stram stoffet på en ramme.
- Trim overskydende stof ved hjælp af en saks og forsigtigt fjerne eventuelle løse fibre i hånden.
- Mens du arbejder under røgemhætten, skal du dække stoffet med et tyndt lag membranopløsning ved hjælp af en pensel.
- Lad laget tørre helt. En varmluftskanon ved lav hastighed alene først og senere sammen med et dedikeret setup (se figur 5 for detaljer) kan bruges til at fremskynde opløsningsmiddelfordampningsprocessen.
BEMÆRK: Hvis du bruger en for høj centrifugeringshastighed med den dedikerede opsætning på en relativt våd membran, kan det forårsage deformationer til membranlagene og medføre tab af membranmateriale. - Når laget er tørret, skal kompositten inspiceres mod baggrundsbelysning for pinholes. Et mikroskop kan også bruges til dette formål.
- Hvis der er pinholes i membranen, anvende et andet lag af belægning ved at gentage trin 1.5.8. og 1.5.9.
- Skiftemellem siderne af tekstilet, når membranopløsningen påføres, for at sikre, at forstærkningen (dvs. det neutrale plan) forbliver i midten af membranen (se SEM-billedet i figur 3D, der viser tekstilfibre placeret i midten af membranlaget).
BEMÆRK: Opløsningsmidlerne i polymeropløsningen opløser langsomt de tidligere anvendte lag. Derfor tilsættes efterfølgende membranlag med ekstrem forsigtighed for at forhindre skader på den allerede anvendte membran. Påfør så tynde lag som muligt og aldrig gå over allerede våde overflader to gange. - Når der er opnået en defekt-fri membran, kontrolleres dens endelige tykkelse ved hjælp af en mikrometerskruemåler. Typisk skal der anvendes mindst tre lag, hvilket resulterer i en ca. 50 μm tyk membran.
- Lad den færdige membran posttørre under røgemhætten i mindst 24 timer.
BEMÆRK: Forsøget kan sættes på pause her og fortsættes senere med sprøjtning af elektroderne. Det tilrådes dog at beskytte den forberedte membran mod støvpartikler under tørring.
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 2 g polyvinylidenfluorid (PVDF), 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]), 4 ml propylencarbonat (PC) og 18 ml N,N-dimethylacetamid (DMAc).
2. Fremstilling af elektroderne
BEMÆRK: Elektrodesuspensionen består af elektrodeopløsning A (en polymeropløsning) og elektrodesuspension B (indeholdende kulpulver og elektrolyt), der fremstilles separat og derefter blandes sammen for at opnå den endelige suspension. Det opløsningsmiddel, der er valgt til elektrodesuspensionen, opløser ikke de inertmembranforstærkninger eller PVDF, der anvendes i den tekstilforstærkede membrankonfiguration. Derfor er risikoen for at beskadige den allerede opnåede membran under tilsætning af elektroder holdes på et minimum.
- Klargøring af elektrodeopløsningen A
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 2 g poly (vinylidenfluorid-co-hexafluorcarbonylen) (PVDF-HFP) og 24 ml 4-methyl-2-pentanon (MP).
FORSIGTIG: MP er brandfarligt og akut giftigt. Brug en røghætte og personlige værnemidler. - Der tilsættes en magnetisk omrørerstang, og kolben lukkes med en prop.
- Kolben forseglmed polyethylenbaseret laboratoriestrækfilm.
- Opløsningen omrøres ved middelhastighed ved 70 °C ved hjælp af en magnetomrører og en temperaturstyret kogeplade, indtil polymeren er helt opløst, typisk natten over.
BEMÆRK: Protokollen kan sættes på pause her. Den forberedte opløsning kan opbevares i et lukket og forseglet kar i en længere periode. Hvis opløsningen er blevet til en gel, skal den opvarmes (til 70 °C) og blandes, før den tages i trin 2.3. Det er ikke nødvendigt at tilføje mere opløsningsmiddel. Typisk udbyttet af mængderne i denne opskrift på ca. 150 cm2 aktivt materiale (endelig komposittykkelse ca. 150 μm). Dette svarer til to 10 cm diameter broderi ramme partier.
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 2 g poly (vinylidenfluorid-co-hexafluorcarbonylen) (PVDF-HFP) og 24 ml 4-methyl-2-pentanon (MP).
- Forberedelse af elektrodeaffjedringen B
- I en anden 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 1,75 g kulstof (f.eks. hårdmetalafledt kulstof fra TiC eller B4C forløber), 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]) og 10 ml MP.
FORSIGTIG: Uønskede elektrostatiske ladevirkninger kan gøre det meget vanskeligt at veje kulpulveret. Bær statisk dissipativt fodtøj under vejning for at reducere akkumuleringen af statisk elektricitet. Brug desuden personlige værnemidler til at forhindre indånding af fine kulstofpartikler. - Suspensionen blandes i et lukket kar ved stuetemperatur i mindst 1 time ved hjælp af en magnetomrører. Alternativt kan ultralydsonden allerede bruges i dette trin (se trin 2.3.4)
BEMÆRK: Forsøget kan sættes på pause her, og suspensionen B kan opbevares eller blandes i et lukket og forseglet kar i en længere periode, før det blandes med løsning A for at opnå den endelige elektrodesuspension.
- I en anden 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 1,75 g kulstof (f.eks. hårdmetalafledt kulstof fra TiC eller B4C forløber), 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]) og 10 ml MP.
- Forberedelse af den endelige elektrodeaffjedring
- Sørg for, at polymeren i opløsning A opløses fuldstændigt ved at vippe kolben en smule for at detektere eventuelle uopløste polymerpellets (eller stykker), og at opløsningen er i tyktflydende, men flydende form. Hvis ikke, omrøres ved 70 °C, før du fortsætter med næste trin.
- Elektrodeopløsningen A (polymeropløsningen) hældes i kolben indeholdende elektrodesuspensionen B (carbon, ionvæske, opløsningsmiddel).
- Brug en ekstra MP på 10 ml til at skylle eventuelt resterende materiale af kolben A's vægge og hælde det i den endelige suspension i kolben B.
- Nedsænk ultralydssonden i den endelige suspension, sæt cyklus til 0,5 (impulser) og homogenisere suspensionen under røghætten i en time. Undgå kontakt mellem sonden og glaskarets vægge. Alternativt, hvis der ikke er ultralydsonde til rådighed, kan der anvendes blanding med en magnetisk omrører i flere timer til natten i et forseglet fartøj.
BEMÆRK: Forsøget kan sættes på pause her, og den endelige elektrodeaffjedring kan opbevares eller blandes i et lukket og forseglet kar i en længere periode.
- Sprøjtning af elektroderne
BEMÆRK: En Iwata airbrush HP TR-2 bruges her til at forberede elektroderne. Der kan dog alternativt anvendes andre typer sprøjtepistoler og industrielle automatiske sprøjtesystemer.- Dæk væggene i røgemhætten med kraftigt papir og tape for lettere rengøring bagefter. Luftindtagsområdet må ikke tildækkes. Hold låget på røgemhætten så lavt som muligt under sprøjtningen.
- Tilslut airbrushen til tryklufttilførslen, og juster trykket (her anvendes standardtilslutninger og tryk på 2 søjlerne).
BEMÆRK: Trykket skal være tilstrækkeligt til at bære suspensionen, men ikke for højt til at beskadige membranen. - Fyld beholderen på airbrushen med acetone (eller ethvert andet kompatibelt opløsningsmiddel) og test sprøjtning på et stykke papir eller pap først for at kontrollere, at airbrushen er ren og fri for blokeringer.
- Kontroller, om elektrodesuspensionen i trin 2.3 er i flydende form ved at vippe kolben. I nogle tilfælde kan det blive til en gel, hvis det opbevares i en længere periode. Opvarm den til 70 °C, mens den blandes med en magnetisk omrørerstang ved hjælp af en temperaturstyret kogeplade for at gøre den til en væske igen. Det er ikke nødvendigt at tilføje mere opløsningsmiddel.
- Hæld elektrodesuspensionen fra Erlenmeyerkolben i airbrushens rene reservoir.
- Test først affjedringsflowet på et stykke papir. Derefter gå videre til at dække den forberedte membran.
- Begynd at flytte airbrushen, før du begynder at sprøjte. Spray i en afstand af ca 20 cm og hold airbrush vinkelret på membranen. Hold airbrush bevæger sig i lige og kontrollerede slag til at dække hele membranen.
- Bemærk antallet af sving, det tager at dække den ene side af membranen, eller alternativt overvåge suspensionen volumen tilføjet til reservoiret for at sikre lige elektrode tykkelser på begge sider af membranen.
- Lad elektroden på den ene side af membranen tørre under røgemhætten. En varmluftkanon kan bruges til at fremskynde tørringsprocessen, hvis det er nødvendigt (se trin 1.5.9).
- Den anden elektrode påføres på den anden side af membranen ved at gentage trin 2.4.7 til 2.4.9.
- Dæk begge sider af membranen flere gange, indtil den ønskede sammensatte tykkelse er nået (her var den endelige samlede tykkelse omkring 150 μm). Overvåg tykkelsen af den tørre komposit ved hjælp af en mikrometer skruemåler.
BEMÆRK: Eksperimentet kan sættes på pause her. Den tørre komposit kan opbevares i en zip-lock taske i en længere periode, før du monterer guld strøm samlere i trin 3.
3. Fastgørelse af guld strøm samlere
- Forberedelse af limopløsningen
BEMÆRK: Denne opløsning kan tilberedes i forvejen sammen med elektrodeaffjedringen (og membranopløsningen). Sørg for at genopvarme limen, før du bruger den til at gøre det mindre tyktflydende.- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe blandes 2 g PVDF-HFP, 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]), 4 ml PC og 40 ml MP.
- Tilsæt en magnetisk omrører, luk kolben og forsegle den med polyethylen-baserede laboratorium stretch film.
- Opløsningen omrøres ved 70 °C på en temperaturstyret kogeplade, indtil polymeren er opløst, typisk natten over.
- Fastgør strømopsamleren til kulkompositten (den ene side)
- Fjern forsigtigt aktuatormaterialet, der er fremstillet i trin 2, ud af rammen.
- Skær en 4 cm x 3 cm stykke ved hjælp af en lineal og en skalpel. Hvis der blev anvendt en tekstilforstærket membran, skal snittet justeres med fibrene (synligt fra kompositmaterialets kanter).
BEMÆRK: Den foreslåede snitstørrelse er mest praktisk for små til mellemstore partier. Det er imidlertid ikke afgørende for at opnå fungerende aktuatorer. - Tag et metalrør (her d = 3 cm) og fastgør snittet stramt på det ved hjælp af tape. Prøv kun at overlappe ca. 1 mm af aktuatormaterialet med tape for at undgå at spilde det aktive materiale.
BEMÆRK: Materialet i røret eller dets belægning skal kunne modstå opløsningsmidler, der blev brugt i limopløsningen. Den nøjagtige sammensætning er ikke afgørende for at opnå fungerende aktuatorer. Materialer, der leder varmen godt (f.eks. metaller), kan være gavnlige ved at fremskynde tørringsprocessen. Dog kan keramiske eller polymer rør eller rør være egnet så godt. - Brug saks, skåret ud 4 cm x 4 cm stykker guld på overførselspapir og læg et af stykkerne på et silkepapir.
BEMÆRK: Det er afgørende at placere guldbladene på overførselspapir på en blødere overflade for at opnå strømsamlere af god kvalitet. - Forbered en "docking" station til sprøjtepistolen, hvor den hurtigt og sikkert kan opbevares i opretstående stilling. Limen vil begynde at tørre, så snart sprøjtning en stopper, og derfor er det afgørende, at der ikke er nogen forsinkelser i anvendelsen af guld strøm samlere.
- Under arbejdet under røgemhætten sprøjtes limopløsningen fra trin 3.1.3 på aktuatormaterialet, der er fastgjort på et rør (trin 3.2.3).
- Rul røret over guldbladet (trin 3.2.4), mens limen stadig er våd. Der kræves ikke for stort tryk ved rulning.
- Fjern overførselspapiret, og rul silkepapiret over igen for at sikre, at guldet er korrekt fastgjort.
- Materialet anbringes under infrarødt (IR)-lys (afstand 10 til 15 cm) eller i en vakuumovn (højest muligt vakuum ved stuetemperatur) for at tørre i ca. 20 til 30 minutter.
- Hvis strømopsamleren ikke er påsat korrekt, eller der er nogle større defekter, gentages trin 3.2.3 til 3.2.9 for at tilføje endnu et lag, når det første lag er tørret for at opnå en helt fejlfri strømopsamler.
- Fastgør strømopsamleren på den anden side af kompositten.
- Fjern forsigtigt tapen, og slip materialet ud af røret.
- Rengør røret med acetone og silkepapir for at fjerne enhver lim og guldrester.
- Fastgør aktuatormaterialet igen på røret med guldbelagt side mod røret.
- Der gentages også trin 3.2.3 til 3.2.10 for at fastgøre strømopsamleren på den anden side af materialet.
- Fjern forsigtigt den færdige komposit fra røret og lad det post-tørre under røghætte i mindst 24 timer.
BEMÆRK: Beskyt materialet mod støvpartikler. Efter tørring kan materialet opbevares i en lynlåspose. Hvis prøven tørres på røret ved forhøjede temperaturer i stedet i en længere periode (flere timer til dage), dannes aktuatoren, og det bør derfor undgås, medmindre termoformning er målet.
4. Skæring, formning, kontakt og karakterisering af aktuatorerne
- Skæring af aktuatoren
- Brug en skarp skalpel (og en metallineal) til at skære aktuatoren i den ønskede form. Skær altid alle sider af materialet for at undgå kortslutninger forårsaget af overskydende guld på aktuatorens sider.
BEMÆRK: Det tilrådes ikke at skære materialet med en saks, da dette kan deformere materialet og forårsage kortslutninger på prøvens sider.
- Brug en skarp skalpel (og en metallineal) til at skære aktuatoren i den ønskede form. Skær altid alle sider af materialet for at undgå kortslutninger forårsaget af overskydende guld på aktuatorens sider.
- Forme aktuatoren (f.eks. til en griber)
BEMÆRK: Formen af dette polymere kompositmateriale kan nemt ændres fra et fladt laminat til noget mere avanceret til mere interessante applikationer. Afhængigt af den ønskede konfiguration kan det være nødvendigt at vedhæfte kontakter først.- Tag snitaktuatoren og læg den i en form (f.eks. i et lille glashætteglas som vist i videoen).
- Prøven anbringes i mindst 1 time og opvarmes til 60 °C.
- Brug af aktuatoren
BEMÆRK: I videoen viser vi brugerdefinerede magnetiske kontakter og modificerede Kelvin klip til kontakt. I begge tilfælde er 24k guldplader det eneste materiale i direkte kontakt med aktuatoren.- Fastgør aktuatoren mellem elektrokemisk ikke-reaktive kontakter (f.eks. guld).
BEMÆRK: Kontakttrykket skal være tilstrækkeligt til at opnå pålidelig elektrisk kontakt, men ikke for højt til at forårsage permanente deformationer. - Påfør trinspænding (eller strøm), eller brug mere komplicerede kontrolsignaler til at styre aktuatoren. Typisk er der blevet brugt trinspændinger på ±2 V eller mindre til at drive denne type aktuatorer. Se Ref24 for yderligere oplysninger om aktuatorkontrolovervejelser.
- Optag samtidig aktiveringen ved hjælp af en laserforskydningsmåler eller et videokamera.
- Fastgør aktuatoren mellem elektrokemisk ikke-reaktive kontakter (f.eks. guld).
- Cryo-frakturering til SEM-billeddannelse (PTFE-baserede aktuatorer)
BEMÆRK: At bryde prøverne efter frysning af dem i flydende nitrogen er den foretrukne metode til at opnå rene tværsnit under SEM-billeddannelse.
FORSIGTIG: Luk aldrig hætten på en flydende nitrogenbeholder tæt. Trykopbygningen og den efterfølgende frigivelse kan forårsage alvorlige kvæstelser. Desuden koger flydende nitrogen ved −196 °C, så der skal også udvises forsigtighed for at forebygge skader på grund af de lave temperaturer.- Hæld flydende nitrogen i en termisk isolerende beholder (f.eks. en engangsskumkop)
- Først skal prøven og senere metalværktøjerne lægges i flydende nitrogen, og prøven fryses i ca. 1 min.
BEMÆRK: Det er tilrådeligt at køle metalværktøjer ned (f.eks. en skalpel eller en pincet) for at forhindre eventuel delaminering på grund af temperaturforskelle. Men værktøjer har brug for kortere køletider end den polymere komposit takket være bedre termisk ledningsevne af metaller. Desuden kan for dybt afkølet metal værktøjer være umuligt at håndtere. - Grib den frosne prøve med to sæt afkølede pincet og bryde den.
- Cryo-frakturering til SEM-billedbehandling (tekstilforstærkede aktuatorer).
BEMÆRK: Tekstilforstærkede aktuatorer (især hvis der anvendes glasfiber) knækker måske ikke selv i frossen tilstand. Rene tværsnit kan opnås ved at skære med en afkølet klinge.- Aktuatoren og en skalpel fryses i flydende nitrogen (se bemærkningen i trin 4.4.2).
- Den frosne prøve anbringes på en non-stick skæreflade (f.eks. en blok ptfe) og det hakkes i aktuatormaterialet ved hjælp af den afkølede skalpel.
Representative Results
Det primære endepunkt til at skelne mellem et vellykket og et mislykket eksperiment er materialets reaktion på elektriske signaler efter at være blevet kontaktet til en strømforsyning. Inden for elektroteknik er kobber et velkendt materiale til kontaktfremstilling. Kobber er dog også elektrokemisk aktivt og derfor ikke egnet til at komme i kontakt med et ionisk system, der introduceres her. Brug af kobberkontakter kan forårsage kortslutninger på grund af dendritedannelse gennem kompositten. I tilfælde af materialekarakterisering er det desuden umuligt at skelne mellem strømme (og aktivering), der stammer fra det elektroaktive materiale, og strømme fra kobber29'selektrokemiske aktivitet . Vi har tidligere vist, at aktivering – selv om den er upålidelig – uden tilsat aktivt materiale (dvs. uden kulstofbaserede eller ledende polymerelektroder) er mulig i tilfælde af våde29ionomermembraner (f.eks. Derfor er alle eksperimenter med det aktive materiale her kun udført ved hjælp af inert guld kontakter.
Elektrokemisk impedanspektroskopi (EIS) er en ikke-destruktiv metode til karakterisering og fejlfinding af det kapacitive aktuatormateriale før brug. Impedansspektrene i figur 4C og 4D blev fanget ved hjælp af en potentiostat/galvanostat/FRA i toelektrodekonfiguration. Prøven (20 mm x 4 mm x 150 μm) blev placeret mellem guldkontakter, indgangssignalamplituden under impedansmålingen blev indstillet til 5 mVRMS, og frekvenser fra 200 kHz til 0,01 Hz blev scannet. Figur 4C og 4D viser de typiske impedansspektre fra aktuatorer med høj (~300 Ω cm2)eller med lav (~5 Ω cm2)indre modstand. Spektrene blev registreret ved hjælp af en prøve med henholdsvis den tørre PTFE-membran og en anden prøve med den gennemblødte membran. Højere ionisk ledningsevne gennem materialet har tendens til at svare til hurtigere aktuatorer og muligvis også mere forskydning ved samme aktiveringsfrekvens (se figur 4B), hvis alle andre parametre (f.eks. mekaniske parametre) holdes uændrede, og materialet generelt er aktivt.
EIS's ikke-destruktive karakter er især gavnlig for påvisning af kortslutninger i kompositten. I tilfælde af aktuatorer, der er forberedt efter den nuværende protokol, skyldes kortslutninger oftest strømopsamlerrester på aktuatorens sider (se skærevejledningen i trin 4.1.1) eller mere sjældent af en defekt membran (f.eks. når de ikke dækker alle huller i den tekstilforstærkede membran som anvist i punkt 1.5). En modstand (i dette tilfælde en kortslutning) ville blive præsenteret som en prik på Nyquist plottet af et EIS eksperiment. Observation af et sådant respons er en bestemt indikator for en defekt prøve (se figur 4C og 4D for referencespektre af funktionelle kapaciatorer). Kortsluttede prøver vil typisk ikke aktivere. Desuden vil disse oftest blive gjort permanent ubrugelige på grund af resistiv opvarmning og den deraf følgende smeltning af kompositten, når de forsøgte at aktivere.
I sin funktionelle form er dette materiale en dobbeltlagskondensator, der viser bøjningsbevægelse som reaktion på opladning og udledning af dobbeltlaget takket være specielt skræddersyede elektrolytter, der anvendes i fremstillingen. Cyklisk voltammetri (CV) er en udbredt teknik i elektrokemi til at studere forskellige systemer. Under et CV-eksperiment varieres arbejdselektrodens potentiale (i dette tilfælde en af aktuatorens elektroder) med hensyn til en modelektrode (her den anden elektrode fra aktuatoren) med konstant hastighed (f.eks. 800 mV/s mellem ±2 V), og den aktuelle reaktion fra systemet registreres ved hjælp af en potentiostat. En typisk strømreaktion fra det kapacitive laminat er angivet i figur 4E. Prøvens aktuelle respons med den gennemblødte PTFE-membran (i mørkegrå i 4E) ligner en ideel kondensator: Strømmen afhænger ikke af elektrodepotentialet og ved at vende potentialet, den aktuelle retning (og dermed dens tegn) ændres (næsten) med det samme, hvilket resulterer i et (næsten) rektangulært voltammogram. Den aktuelle respons af prøven med en oprindeligt tør membran (i pink i 4E) viser mindre ideel kondensator adfærd på denne scanningsats, sandsynligvis på grund af høj intern modstand af materialet (som også fremgår af EIS i figur 4C). Alligevel viser begge prøver komposittens kapacitive karakter. På den anden side viser lysegrå linjer i figur 4E mulig adfærd fra defekte prøver (f.eks. kortsluttede prøver), der nøje følger Ohm's lov.
Forskellige funktionelle aktuatorers ydeevne er vist i figur 4A og figur 4B. Figur 4A viser snapshots fra videoen, hvor en 5-finger termoformet aktuator greb, holder og frigiver en tilfældigt formet objekt som reaktion på spændingtrin. Enklere geometrier bruges typisk til materialekarakteriseringsformål. Figur 4B fremhæver f.eks.28,30 For at karakterisere forskellige aktuatormaterialer blev prøverne (4 mm x 20 mm x 150 μm) placeret mellem guldklemmer i cantilever position (efterlader 18 mm fri længde til aktivering), og bøjningsvinklen blev optaget ved hjælp af et videokamera. Alternativt er bevægelsen af et enkelt punkt langs aktuatoren (f.eks. 5 mm fra kontakterne) typisk blevet overvåget i tide og anvendt i beregning af belastningsdifference31,32. Videobehandling, selv om mere kompliceret, giver flere oplysninger om hele bøjning profil af prøven og gør det også muligt at reanalysere udførelsen senere, hvis et sådant behov skulle opstå. 0,1 Hz-punktet i figur 4B svarer til nøjagtig det samme signal som det, der anvendes i de cykliske voltammetrieksperimenter i figur 4E, både med hensyn til aktiveringsspænding og aktiveringsfrekvens. Ved hjælp af det samme signal til karakterisering og aktivering giver os for eksempel mulighed for at drage konklusioner om materialets kapacitive karakter og om stabiliteten og manglen på elektrokemiske reaktioner under aktiveringen.
Elektrokemiske metoder (EIS, CV), visualisering af aktuatorstrukturen i (typisk) mikrometerniveauet (SEM) og forskydningskarakterisering er de mest almindelige metoder til at karakterisere ioniske aktuatorer og vurdere fabrikationsprocessens succes. Men brugerdefinerede eksperimenter til at evaluere aktuatorens ydeevne i en mere specifik anvendelse er ofte udviklet til at evaluere applikationsspecifikke ydeevne (f.eks evnen til at bære en belastning).
Figur 3: Billeddannelse. Scanning af elektronmikrografer, der viser den meget porøse PTFE-membran (A) og et tværsnit af en aktuator, der er fremstillet ved hjælp af samme membran, og som ikke udviser delaminering (C). SEM-mikrograf, der viser et tværsnit af en tekstilforstærket aktuator (D) og et optisk fotografi af den tilsvarende silkeforstærkning (B). Prøver til SEM tværsnit blev først kryo-fraktureret ved hjælp af flydende nitrogen, monteret på en metalprøveholder og derefter sputtered med 5 nm guld for bedre definition ved hjælp af en sputter coater. En bordplade scanning elektron mikroskop blev brugt til billeddannelse ved 15 keV acceleration spænding. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Aktuatorens repræsentative resultater. (A) Spændingstrin og tilsvarende billeder af den femarmede griber, der er kompatibelt med en genstand med tilfældig form (aktuator uden kontakt 21 mg; polystyrenskumbelastning 17,8 mg) (B) total bøjningsvinkel på 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE-baserede aktuatorer, der er fastspændt mellem guldkontakter (18 mm fri længde) som reaktion på et trekantet aktiveringssignal (±2 V) ved forskellige aktiveringsfrekvenser (n=3, fejlstænger repræsenterer en standardafvigelse for middelværdien) (C og D) typiske elektrokemiske impedansspektre for de elektromekanisk aktive kapacitorlaminater (5 mVRMS-signalamplitude) (E) typisk cyklisk voltammetri for kapacitive laminater (trekantet aktiveringssignal ved hjælp af 800 mV/sscanningshastighed, der svarer til 0,1 Hz-punkterne i B). Grå linjer på cykliske voltammograms er til sammenligning og viser respons fra en potentiel defekt aktuator (hovedsagelig en modstand), der ville nøje følge Ohm's lov. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Centrifugering under membrantilberedning. (A) skemaer af opsætningen (B) billede af opsætningen med en ramme med forstærkning fastgjort. Under centrifugering dirigerer centrifugalkraften det resterende opløsningsmiddel i membranlaget mod rammens kant. Dette kan være gavnligt for at fremskynde tørringsprocessen. I tilfælde af helt våde membraner kan dette dog resultere i tab af aktivt materiale (polymer og ionvæske) og bør derfor undgås. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Vi præsenterede en enkel, hurtig, repeterbar og alsidig fabrikationsmetode til ionisk elektromekanisk aktiv kompositforberedelse til forskellige aktuatorapplikationer og med mindre ændringer også til energilagring, høst33 eller sensing34 applikationer. Den nuværende metode fokuserer på membraner med en integreret passiv og kemisk inert komponent (f.eks. et tekstilforstærket polymernetværk eller en meget porøs Teflonmembran, se også figur 3), fordi sådanne membraner forenkler aktuatorforberedelsesprocessen betydeligt også i stor skala. Desuden har de resulterende membraner en lavere risiko for hævelse og buckling på grund af opløsningsmidler (eller elektrolyt) i elektrodesuspensionen eller kortslutningshotspotdannelse sammenlignet med mange andre almindelige aktuatorfabrikationsmetoder og -materialer.
De kritiske trin i det kapacitive aktuatorlaminatpræparat er membranpræparatet, elektrodefremstilling, strømopsamlertilbehør, skæring og kontakt (figur 2). Hvert af disse trin giver plads til tilpasning og optimering af ydeevnen, men også til fejl. I det følgende afsnit vil vi diskutere de gavnlige ændringer og fejlfinding strategier for denne fabrikation metode i yderligere detaljer. En højtydende komposit resultater fra samspillet mellem flere centrale aspekter, der skal holdes for øje: tilstrækkelig elektronisk ledningsevne langs elektroden (tilføje guld strøm opsamler til kulstof elektroder); tilstrækkelig ionisk ledningsevne gennem membranen (brug en tynd porøs membran og tilstrækkelig mængde elektrolyt med lav viskositet, reducere risikoen for ugunstige interaktioner mellem membranen og elektrolytten ved hjælp af et inert polymernetværk) elektrodens høje overfladeareal (vælg en passende kulstoftype) skræddersyede elektrolytter, der resulterer i asymmetrisk hævelse/sammentrækning af elektroderne (vælg en passende elektrolyt) mekaniske parametre (Youngs moduli af komponenterne). Disse hovedaspekter af en højtydende kulstofbaseret aktuator er også fremhævet i figur 1B.
En højtydende membran er den centrale del af denne sammensætning. Det har to opgaver: forhindre elektronledningsevne (kortslutninger) mellem elektroderne, samtidig med at høj ionisk ledningsevne. Ændringer af membranen kan tjene flere formål, for eksempel værktøjsintegration som indført ved Must et al.24 eller tilsætning af nye egenskaber (f.eks. biokompatibilitet, bionedbrydelighed eller forskellige mekaniske egenskaber). Den nuværende fabrikationsmetode kan ændres til at bruge andre polymerer og elektrolytter i membranen til at indføre nye egenskaber til det aktive laminat. Ligesom den strategi for valg af opløsningsmiddel, der introduceres her for de tekstilforstærkede aktuatorer, er det tilrådeligt at vælge dårligere opløsningsmidler til den efterfølgende elektrodefabrikation sammenlignet med membranpræparatet. Dette sikrer, at membranen forbliver funktionel og intakt også efter tilsætning af elektroder.
Den endelige komposits aktiveringsevne påvirkes af det valgte elektrodemateriale (kulstof), elektrolytten og muligvis deres kompatibilitet med hinanden. Denne protokol indfører fremstilling af kulstofbaserede kapacitive laminater ved hjælp af borcarbidafledt kulstof og 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluormethansulfonat ([EMIM][OTf]) ionisk væske. Den samme protokol kan imidlertid tilpasses andre kulstofmaterialer med højt specifikke overfladeareal, såsom kulstofholdige kulstofstoffer fra35andre kilder (f.eks.368,37238 3940 Desuden kan der også anvendes andre elektrolytter i aktuatorpræparatet. Opnåelse af en funktionel komposit er ikke begrænset til de kulstof- og ioniske væsketyper, der præsenteres i denne protokol. Carbonpartikelstørrelsen, deres mulige agglomeration i elektrodesuspensionen og suspensionens viskositet er mere afgørende parametre for spray-belægningsprocessen.
Denne metode gør det muligt at fremstille elektromekanisk aktivt laminatmateriale med reproducerbare egenskaber i store mængder. Miniaturisering af aktuatorer fremstillet af dette materiale udføres hovedsagelig ved hjælp af højpræcisionsskæring (f.eks. figur 3C). Alternative metoder til fremstilling af fine strukturer, såsom maskering, og mønstre er mulige under spray-belægning41. Desuden kan millimeter-skala strukturer også mønstres i den efterfølgende guld nuværende opkøber vedhæftet fil trin. Men i sub-millimeter skala dette kan blive ganske vanskeligt. Andre typer aktuatorer eller kulstofbaserede aktuatorer uden guldstrømssamlere kan være lettere at forberede, hvis de mønstrelige egenskaber skal være i mikrometerskalaen.
Egen bløde aktuatorer, der reagerer på elektriske stimuli, har mange fordele takket være deres bløde og kompatible natur, støjsvag drift og lavt krævede spændingsniveauer. Den nuværende protokol viser, hvordan man producerer sådant materiale i større mængder og med høj batch-til-batch og in-batch repeterbarhed uden at gå på kompromis med aktiveringydeevne. Ændringer af den nuværende metode til at indarbejde mere biovenlige og muligvis også bionedbrydelige komponenter, der vil gøre det muligt at fungere tæt eller inde i levende organismer ud over vellykkede samlede indkapslingsmetoder, og integrationen af det indførte aktive materiale i blød robot- eller biomedicinsk udstyr forestilles for fremtiden.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Ron Hovenkamp og Marcel Mulder fra Philips Research for nyttige diskussioner. Dette arbejde blev delvis støttet af den institutionelle forskningsfinansiering IUT (IUT 20-24) under det estiske undervisnings- og forskningsministerium, af tilskuddet fra Det Estiske Forskningsråd (PUT1696), af Den Europæiske Fond for Regionaludvikling, af programmet Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), af Den Europæiske Unions Forsknings- og Innovationsprogram Horisont 2020 under Marie Skłodowska-Curie-tilskudsaftalen nr. , et innovationsprojekt for Etit-sundhed. EIT Health støttes af ETI, et eu-organ.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ~150 µm thick gold plates for custom contacts | local jeweler | 99.9% purity (24K) | |
| 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf]) | Solvionic | 99.5% | |
| 100 ml Erlenmeyer flask | |||
| 4-methyl-2-pentanone (MP) | Sigma Aldrich | ≥99% | |
| acetone | technical grade | ||
| analytical balance | Mettler Toledo AB204-S/PH | ||
| carbon powder | Y Carbon | boron carbide derived carbon, particle size <10 µm, specific surface area 1800 m2/g, pore volume 0.5 cm3/g | |
| carbon powder | Skeleton Technologies | titanium carbide derived carbon | |
| circular disk magnets (neodymium) for custom contacts | local hardware store | d = 2 mm, thickness 1 mm | |
| compressed air supply for the airbrush | |||
| crocodile clips with jaws insulated from each other (Kelvin clips) | local hardware store | Optional for making custom contacts. Regular crocodile clips are not suitable because there the jaws are connected to each other at the spring. | |
| disposable foam cup | |||
| epoxy glue | local hardware store | preferaby fast cure epoxy for attaching gold contacts to magnets | |
| filter paper for drying | Munktell, Filtrak | e.g. diameter 150 mm and up if 142 mm PTFE sheet is used. | |
| flat nose tweezers | |||
| glass funnel | |||
| gold leaf on transfer sheets | Giusto Manetti Battiloro | 24K | |
| graduated glass cylinder | |||
| hairdryer or a heat gun | e.g. Philips | ||
| infrared ligth bulb | e.g. Philips | ||
| liquid nitrogen | CAUTION: Never close the lid of a liquid nitrogen container tightly. The pressure build-up could cause serious injuries. | ||
| magnetic stirrer / hotplate | |||
| magnetic stirrer bars | about 1 cm long | ||
| metal pipe | e.g. d = 3 cm | ||
| metal ruler | |||
| micrometer thickness gauge | Mitotuyo | range 0-25 mm, precision 0.001 mm | |
| N,N-dimethylacetamide (DMAc) | Sigma Aldrich | 99.5% | |
| paintbursh | |||
| plastic embroidery hoops | e.g. Pony | select the diameter depending on the desired batch size (e.g. 7.5 cm to 25 cm) | |
| plastic Pasteur pipettes | |||
| polyethylene-based laboratory stretch film | DuraSeal | ||
| polyvinylidene difluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) | Sigma Aldrich | Mn = 130000, Mw = 400000 | |
| polyvinylidene fluoride (PVDF) | Sigma Aldrich | Mw (g/mol) = 534000 | |
| potentiostat/galvanostat/FRA | PARSTAT 2273 | needed for electrochemical characterization | |
| propylene carbonate (PC) | Merck | 99% | |
| PTFE filtration membrane | Omnipore | JVWP14225 | 0.1 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 30 µm thickness, 80% porosity |
| PTFE filtration membrane | Omnipore | JGWP14225 | 0.2 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 65 µm thickness, 80% porosity |
| scalpel | |||
| scotch tape | |||
| silk (woven textile) | Esaki Model Manufacturing | #3 | 11.5 g/m2 |
| soldering equipment | local hardware store | For connecting the ~150 µm gold plates to the clips | |
| spray gun, airbrush | Iwata HP TR-2 | ||
| sputter coater | Leica EM ACE600 | ||
| tabletop scanning electron microscope | Hitachi TM3000 | ||
| ultrasonic processor | Hielscher UP200S |
References
- Must, I., et al. Ionic and Capacitive Artificial Muscle for Biomimetic Soft Robotics. Advanced Engineering Materials. 17 (1), 84-94 (2015).
- McGovern, S., Alici, G., Truong, V. T., Spinks, G. Finding NEMO (novel electromaterial muscle oscillator): A polypyrrole powered robotic fish with real-time wireless speed and directional control. Smart Materials and Structures. 18 (9), (2009).
- Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z., Sitti, M. Soft Actuators for Small-Scale Robotics. Advanced Materials. 29 (13), (2017).
- Carpi, F. Electromechanically Active Polymers. , Springer International Publishing. Cham. (2016).
- Bar-Cohen, Y., Anderson, I. A. Electroactive polymer (EAP) actuators-background review. Mechanics of Soft Materials. 1 (1), 5 (2019).
- Schmitt, F., Piccin, O., Barbé, L., Bayle, B. Soft robots manufacturing: A review. Frontiers Robotics AI. 5, (2018).
- Rosset, S., Araromi, O. a, Schlatter, S., Shea, H. R. Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators. Journal of Visualized Experiments. (108), 1-13 (2016).
- Fukushima, T., Asaka, K., Kosaka, A., Aida, T. Fully Plastic Actuator through Layer-by-Layer Casting with Ionic-Liquid-Based Bucky Gel. Angewandte Chemie International Edition. 44 (16), 2410-2413 (2005).
- Takeuchi, I., et al. Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids. Electrochimica Acta. 54 (6), 1762-1768 (2009).
- Mukai, K., et al. High performance fully plastic actuator based on ionic-liquid-based bucky gel. Electrochimica Acta. 53 (17), 5555-5562 (2008).
- Fedkiw, P. S., Her, W. H. An Impregnation-Reduction Method to Prepare Electrodes on Nafion SPE. Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 899-900 (1989).
- Akle, B. J., Bennett, M. D., Leo, D. J., Wiles, K. B., McGrath, J. E. Direct assembly process: a novel fabrication technique for large strain ionic polymer transducers. Journal of Materials Science. 42 (16), 7031-7041 (2007).
- Akle, B., Nawshin, S., Leo, D. Reliability of high strain ionomeric polymer transducers fabricated using the direct assembly process. Smart Materials and Structures. 16 (2), 1-6 (2007).
- Otero, T. F., Angulo, E., Rodríguez, J., Santamaría, C. Electrochemomechanical properties from a bilayer: polypyrrole / non-conducting and flexible material - artificial muscle. Journal of Electroanalytical Chemistry. 341 (1-2), 369-375 (1992).
- Smela, E., Inganäs, O., Pei, Q., Lundström, I. Electrochemical muscles: Micromachining fingers and corkscrews. Advanced Materials. 5 (9), 630-632 (1993).
- Simaite, A., Mesnilgrente, F., Tondu, B., Souères, P., Bergaud, C. Towards inkjet printable conducting polymer artificial muscles. Sensors and Actuators B: Chemical. 229, 425-433 (2016).
- Põldsalu, I., Mändmaa, S. -E., Peikolainen, A. -L., Kesküla, A., Aabloo, A. Fabrication of ion-conducting carbon-polymer composite electrodes by spin-coating. Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). , 943019 (2015).
- Kaasik, F., et al. Scalable fabrication of ionic and capacitive laminate actuators for soft robotics. Sensors and Actuators, B: Chemical. 246, 154-163 (2017).
- Sugino, T., Shibata, Y., Kiyohara, K., Asaka, K. Actuation mechanism of dry-type polymer actuators composed by carbon nanotubes and ionic liquids. Sensors and Actuators, B: Chemical. 273, 955-965 (2018).
- Conway, B. E. Transition from "Supercapacitor" to "Battery" Behavior in Electrochemical Energy Storage. Journal of The Electrochemical Society. 138 (6), 1539 (1991).
- White, B. T., Long, T. E. Advances in Polymeric Materials for Electromechanical Devices. Macromolecular Rapid Communications. 40 (1), 1-13 (2019).
- Addinall, R., et al. Integration of CNT-based actuators for bio-medical applications - Example printed circuit board CNT actuator pipette. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM. , 1436-1441 (2014).
- Zhang, J., Wu, J., Yu, J., Zhang, X., He, J., Zhang, J. Application of ionic liquids for dissolving cellulose and fabricating cellulose-based materials: State of the art and future trends. Materials Chemistry Frontiers. 1 (7), 1273-1290 (2017).
- Must, I., Rinne, P., Krull, F., Kaasik, F., Johanson, U., Aabloo, A. Ionic Actuators as Manipulators for Microscopy. Frontiers in Robotics and AI. 6, (2019).
- Torop, J., Palmre, V., Arulepp, M., Sugino, T., Asaka, K., Aabloo, A. Flexible supercapacitor-like actuator with carbide-derived carbon electrodes. Carbon. 49 (9), 3113-3119 (2011).
- Torop, J., Sugino, T., Asaka, K., Jänes, A., Lust, E., Aabloo, A. Nanoporous carbide-derived carbon based actuators modified with gold foil: Prospect for fast response and low voltage applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 161 (1), 629-634 (2012).
- Vella, D. Buffering by buckling as a route for elastic deformation. Nature Reviews Physics. 1 (7), 425-436 (2019).
- Rinne, P., et al. Encapsulation of ionic electromechanically active polymer actuators. Smart Materials and Structures. , (2019).
- Nakshatharan, S. S., Punning, A., Johanson, U., Aabloo, A. Effect of electrical terminals made of copper to the ionic electroactive polymer actuators. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 10163, 101632 (2017).
- Punning, A., et al. Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications. Scientific Reports. 4 (1), 6913 (2014).
- Sugino, T., Kiyohara, K., Takeuchi, I., Mukai, K., Asaka, K. Actuator properties of the complexes composed by carbon nanotube and ionic liquid: The effects of additives. Sensors and Actuators B: Chemical. 141 (1), 179-186 (2009).
- Punning, A., Vunder, V., Must, I., Johanson, U., Anbarjafari, G., Aabloo, A. In situ scanning electron microscopy study of strains of ionic electroactive polymer actuators. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 27 (8), 1061-1074 (2016).
- Must, I., Kaasik, F., Põldsalu, I., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. A carbide-derived carbon laminate used as a mechanoelectrical sensor. Carbon. 50 (2), 535-541 (2012).
- Kruusamäe, K., Punning, A., Aabloo, A. Electrical model of a carbon-polymer composite (CPC) collision detector. Sensors. 12 (2), Basel, Switzerland. 1950-1966 (2012).
- Palmre, V., et al. Nanoporous carbon-based electrodes for high strain ionomeric bending actuators. Smart Materials and Structures. 18 (9), 095028 (2009).
- Torop, J., et al. Microporous and mesoporous carbide-derived carbons for strain modification of electromechanical actuators. Langmuir. 30 (10), 2583-2587 (2014).
- Baughman, R. H.
- Palmre, V., et al. Electroactive polymer actuators with carbon aerogel electrodes. Journal of Materials Chemistry. 21 (8), 2577 (2011).
- Lu, L., et al. Highly stable air working bimorph actuator based on a graphene nanosheet/carbon nanotube hybrid electrode. Advanced Materials. 24 (31), 4317-4321 (2012).
- Kong, L., Chen, W. Carbon Nanotube and Graphene-based Bioinspired Electrochemical Actuators. Advanced Materials. 26 (7), 1025-1043 (2014).
- Nakshatharan, S. S., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. Modeling, fabrication, and characterization of motion platform actuated by carbon polymer soft actuator. Sensors and Actuators, A: Physical. 283, 87-97 (2018).
