Summary
Dit artikel beschrijft een snel en eenvoudig productieproces van ionische elektromechanisch actieve composietmaterialen voor actuatoren in biomedische, biomimetische en zachte robotica toepassingen. De belangrijkste fabricagestappen, hun belang voor de uiteindelijke eigenschappen van de actuatoren en enkele van de belangrijkste karakteriseringstechnieken worden in detail beschreven.
Abstract
Ionische elektromechanisch actieve capacitieve laminaat zijn een soort slim materiaal dat beweegt in reactie op elektrische stimulatie. Door het zachte, conforme en biomimetische karakter van deze vervorming hebben actuatoren gemaakt van het laminaat steeds meer interesse gekregen in zachte robotica en (bio)medische toepassingen. Er zijn echter methoden nodig om het actieve materiaal gemakkelijk in grote (zelfs industriële) hoeveelheden en met een hoge batch-to-batch en herhaalbaarheid binnen partij te fabriceren om de kennis van laboratorium naar industrie over te brengen. Dit protocol beschrijft een eenvoudige, industrieel schaalbare en reproduceerbare methode voor de fabricage van elektromechanisch actieve capacitieve laminiaters op basis van ionische koolstofen de bereiding van actuatoren die daarvan zijn gemaakt. De opname van een passieve en chemisch inerte (onoplosbare) middenlaag (bijvoorbeeld een met textiel versterkt polymeernetwerk of microporeus Teflon) onderscheidt de methode van anderen. Het protocol is verdeeld in vijf stappen: membraanvoorbereiding, elektrodevoorbereiding, stroomcollectorbevestiging, snijden en vormgeven en bediening. Het volgen van het protocol resulteert in een actief materiaal dat bijvoorbeeld een willekeurig gevormd object kan begrijpen en vasthouden, zoals in het artikel wordt aangetoond.
Introduction
Ionisch elektromechanisch actieve polymeer- of polymere composieten zijn intrinsiek zachte en conforme materialen die steeds meer belangstelling hebben gekregen voor verschillende zachte robotica en biomimetische toepassingen (bijvoorbeeld als actuatoren, grijpers of biogeïnspireerde robots1,2). Dit type materiaal reageert op elektrische signalen in het bereik van een paar volt, waardoor ze gemakkelijk te integreren zijn met conventionele elektronica en krachtbronnen3. Veel verschillende soorten ionische actuator basismaterialen zijn beschikbaar, zoals beschreven in detail elders4, en weer zeer recent5. Bovendien is de laatste tijd met name benadrukt dat de ontwikkeling van zachte robotapparaten nauw verbonden zal zijn met de ontwikkeling van geavanceerde productieprocessen voor relevante actieve materialen en componenten6. Bovendien is het belang van een efficiënte en gevestigde processtroom bij de bereiding van reproduceerbare actuatoren die het potentieel hebben om van het laboratorium naar de industrie over te stappen, ook in eerdere op methoden gebaseerde studiesbenadrukt 7.
In de afgelopen decennia zijn veel fabricagemethoden ontwikkeld of aangepast voor de bereiding van actuatoren (bv. laag-voor-laag gieten8 en warmpersen9,10, impregnatie-reductie11, schilderij12,13, of sputteren en daaropvolgende elektrochemische synthese14,15, inkjet druk16 en spin-coating17); sommige methoden zijn universeler, en sommige zijn meer beperkend in termen van materiaalselectie dan anderen. Echter, veel van de huidige methoden zijn vrij ingewikkeld en / of meer geschikt voor laboratorium schaal fabricage. Het huidige protocol richt zich op een snelle, herhaalbare, betrouwbare, geautomatiseerde en schaalbare actuator fabricage methode om actieve laminaat te produceren met lage batch-to-batch en binnen-batch variabiliteit en een lange actuator levensduur18. Deze methode kan worden gebruikt door materiaalwetenschappers om krachtige actuatoren te ontwikkelen voor de volgende generatie biogeïnspireerde toepassingen. Bovendien, na deze methode zonder wijzigingen geeft zachte robotica ingenieurs en docenten een actief materiaal voor de ontwikkeling en prototyping van nieuwe apparaten, of voor het onderwijzen van zachte robotica concepten.
Ionische elektromechanisch actieve polymeer- of polymere actuatoren zijn meestal gemaakt van twee- of drielaags laminaire composieten en buigen in reactie op elektrische stimulatie in het bereik van enkele volt(figuur 1). Deze buigbeweging wordt veroorzaakt door de zwellings- en contractieeffecten in de elektrodelagen, en wordt meestal veroorzaakt door faradaische (redox)-reacties op de elektroden (bijvoorbeeld in het geval van elektromechanisch actieve polymeren (EAP's) zoals de geleidende polymeren) of door capacitief opladen van de dubbele laag (bijvoorbeeld in polymeerelektroden op basis van koolstof, waar het polymeer alleen als bindmiddel kan fungeren). In dit protocol (figuur 2) richten we ons op het laatste; we tonen de fabricage van een elektromechanisch actief composiet dat bestaat uit twee hoge specifieke oppervlakte elektronisch geleidende koolstofgebaseerde elektroden die worden gescheiden door een inert ion-geleidend membraan dat de beweging van kationen en anionen tussen de elektroden vergemakkelijkt - een configuratie die sterk lijkt op de supercondensatoren. Dit type actuator buigt in reactie op capacitief laden/ontladen en de daaruit voortvloeiende zwelling/samentrekking van de elektroden wordt meestal toegeschreven aan de verschillen in het volume en de mobiliteit van kationen en anions van het elektrolyt8,10,19. Tenzij oppervlakte-gefunctionaliseerde koolstof wordt gebruikt als het actieve materiaal of de capacitieve composiet wordt gebruikt buiten de elektrochemische stabiliteit potentieel venster van het elektrolyt, geen faradaic reacties worden verwacht plaats te vinden op dit type elektroden20. Het ontbreken van faradaic reacties is de belangrijkste bijdrage aan de gunstig lange levensduur van dit actuatormateriaal (d.w.z., duizenden cycli in lucht8,18 getoond voor verschillende capacitieve actuatoren).
Figuur 1: De structuur van de op koolstof gebaseerde actuator in de neutrale (A) en in de aangedreven toestand (B). (B) wijst ook op de belangrijkste kenmerken die de prestaties van een ionische actuator bepalen. Opmerking: het cijfer wordt niet op schaal aangetrokken. Ionengrootte is overdreven om het meest geciteerde actuatiemechanisme te illustreren dat voorkomt in het geval van een inert membraan dat de mobiliteit van zowel anionen als kationen van het elektrolyt mogelijk maakt (bijvoorbeeld ionische vloeistof). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Het verkrijgen van een functioneel membraan dat intact blijft gedurende het hele fabricageproces is een van de belangrijkste stappen in de succesvolle actuatorvoorbereiding. Een high-performance membraan voor een actuator is zo dun mogelijk en maakt ionische geleidbaarheid tussen de elektroden mogelijk, terwijl het blokkeren van elke elektronische geleidbaarheid. De ionische geleidbaarheid in het membraan kan het gevolg zijn van het combineren van het elektrolyt met een inert poreus netwerk (bijvoorbeeld de aanpak die in dit protocol wordt gebruikt) of door het gebruik van specifieke polymeren met covalent gebonden geïoniseerde eenheden of andere groepen die interacties met het elektrolyt mogelijk maken. De eerste benadering heeft hier de voorkeur voor zijn eenvoud, terwijl specifiek op maat gemaakte interacties tussen het elektrolyt en het polymeernetwerk ook voordelen kunnen hebben, als ongunstige interacties (bijvoorbeeld het blokkeren of vertragen van ionenbewegingen aanzienlijk als gevolg van interacties) kunnen worden uitgesloten. De uitgebreide selectie van ionomische of anderszins actieve membranen voor elektromechanisch actieve actuatoren en de daaruit voortvloeiende werkingsmechanismen zijn onlangs herzien21. De membraanselectie speelt, naast de elektrodeselectie, een cruciale rol in de prestaties, levensduur en actuatiemechanisme van de actuator. Het huidige protocol richt zich voornamelijk op inerte membranen die de poreuze structuur voor ionenmigratie bieden (zoals afgebeeld op figuur 1),hoewel delen van het protocol (bijvoorbeeld membraanoptie C) ook gunstig kunnen zijn voor actieve membranen.
Naast de membraanmateriaalselectie speelt de fabricagemethode ook een belangrijke rol bij het verkrijgen van een functionele afscheider voor het composiet. Eerder gebruikte gegoten membranen hebben de neiging om te smelten tijdens de latere hot-pressing stap en kunnen daarom kortsluiting hotspots22. Bovendien hebben commerciële ionomische membranen (bijvoorbeeld Nafion) de neiging om aanzienlijk op te zwellen en gespen in reactie op oplosmiddelen die worden gebruikt in de latere productiestappen12, en sommige polymeren (bijvoorbeeld cellulose23)staan erom bekend dat ze tot op zekere hoogte oplossen in sommige ionische vloeistoffen, wat mogelijk problemen veroorzaakt met de herhaalbaarheid van het fabricageproces en resulteert in een slechte uniformiteit van de elektroden. Daarom richt dit protocol zich op actuatoren met een integraal passief en chemisch inert component in het membraan (bijvoorbeeld glasvezel of zijde met PVDF of PTFE) die het composiet stopt met zwellen en knikken in latere fabricagestappen of kortsluitingshotspots vormen. Bovendien vereenvoudigt de toevoeging van een inerte en passieve component het productieproces aanzienlijk en maakt het grotere batchgroottes mogelijk in vergelijking met meer traditionele methoden.
De opname van een passieve versterking in het membraan werd voor het eerst geïntroduceerd door Kaasik etal. 18 om de bovengenoemde problemen in het actuatorproductieproces aan te pakken. De opname van een geweven textielversterking (zie ook figuur 3B en 3D)introduceert verder de mogelijkheid om gereedschappen te integreren in de actieve composiet24 of om slim textiel te ontwikkelen18. Daarom is het membraan optie C in het protocol meer geschikt voor dergelijke toepassingen. In het geval van geminiaturiseerde actuatoren (in het submillimeterniveau) wordt de passief-naar-actieve componentverhouding in het membraan echter steeds ongunstiger en kan de opname van een geordende textielversterking de prestaties van de actuator en de herhaalbaarheid van monster tot monster negatief gaan beïnvloeden. Bovendien kan de richting van de wapening (langs of diagonaal met betrekking tot de buigrichting) de prestaties van complexer gevormde actuatoren onverwacht beïnvloeden. Daarom zou een minder geordende en zeer poreuze inerte structuur voordeliger zijn voor geminiaturiseerde actuatoren en complexere actuatorvormen.
Polytetrafluorethyleen (PTFE, ook bekend onder de handelsnaam Teflon) is een van de meest inerte polymeren weten tot nu toe. Het is meestal zeer hydrofoob, maar oppervlakte-behandelde versies die hydrofiel zijn gemaakt bestaan, die gemakkelijker bruikbaar zijn in de actuator fabricage. Figuur 3A illustreert de willekeurige structuur van een inerte hydrofielPTFE filtratiemembraan dat in dit protocol werd gebruikt voor actuatorvoorbereiding. Naast de uniformiteit van dit materiaal in alle richtingen die gunstig is voor het uitsnijden van geminiaturiseerde actuatoren of complexe vormen, met behulp van een commerciële filtratie membraan met gecontroleerde porositeit verder vereenvoudigt de actuator fabricage proces door bijna elimineren van de noodzaak voor een membraan voorbereiding. Bovendien zijn membraandiktes tot 30 μm uiterst moeilijk te verkrijgen in de eerder beschreven textielversterkte configuratie. Daarom moeten op PTFE gebaseerde actuatorfabricagemethoden (opties A en B) uit dit protocol in de meeste gevallen de voorkeur krijgen, aangezien optie A sneller is, maar actuatoren die met optie B worden gemaakt, tonen grotere stammen (in het frequentiebereik in figuur 4B). De zachte grijper geïntroduceerd in de representatieve resultaten sectie werd ook bereid met behulp van de PTFE membraan eerst gedrenkt in elektrolyt.
Nadat een functioneel membraan is voorbereid, gaat het protocol verder met de elektrodevoorbereiding en de huidige collector-bevestiging. De op koolstof gebaseerde elektroden worden toegevoegd met behulp van spray-coating – een industrieel vastgestelde procedure die een hoge controle over de resulterende elektrode laag dikte mogelijk. Er worden meer uniforme elektroden geproduceerd met een spuitcoating in vergelijking met bijvoorbeeld de gietmethode (of mogelijk ook andere vloeibare methoden) waarbij sedimentatie van koolstofdeeltjes tijdens het drogen van de film25 is bekend. Bovendien is een ander kenmerk van de gepresenteerde fabricagemethode gebaseerd op de oplosmiddelselectiestrategie die het belangrijkst is in het geval van met textiel versterkte membranen. Om precies te zijn lost 4-methyl-2-pentanone (het oplosmiddel in de elektrodesuspensie en lijmoplossing) de inerte membraanversterkingen of PVDF die worden gebruikt in de membraanoplossing van het met textiel versterkte membraan niet op. Daarom wordt het risico van kortsluiting hotspots in de composiet tijdens spray coating verder verminderd.
Het capacitieve laminaat is al actief na het aanbrengen van koolstofelektroden. Echter, een orde van grootte snellere actuatoren26 worden verkregen met de toepassing van goudstroom verzamelaars. Een andere belangrijke stap in het protocol is de bevestiging van de huidige collectoren, terwijl de overeenkomstige elektrode is in de uitgerekte staat (dat wil zeggen, de composiet is gebogen). Daarom wordt in de neutrale vlakstaat van de actuator het bladgoud in het submillimeterniveau gegespt. Deze buffering-by-buckling27 aanpak maakt hogere vervormingen zonder breken dan anders mogelijk zou zijn voor een fijne (~ 100 nm) metalen plaat.
Alle actuator productiestappen (membraanvoorbereiding, elektrode spuiten, huidige collector attachment) zijn ook samengevat in figuur 2. Voor de performance characterization demonstratie hebben we een grijper voorbereid die een willekeurig gevormd object met een willekeurige oppervlaktetextuur vastgrijpt, vasthoudt en vrijgeeft. Eenvoudigere geometrieën, zoals rechthoekige monsters met een beeldverhouding van 1:4 of hoger (bijvoorbeeld 4 mm tot 20 mm of zelfs 1 mm tot 20 mm28)die uit het actieve materiaal zijn gesneden en in de cantileverpositie zijn geklemd, zijn ook zeer typerend voor materiaalkarakterisering of andere toepassingen die gebruikmaken van het buiggedrag.
Het artikel eindigt met een korte introductie in de typische ionische elektromechanisch actieve capacitieve materiaalkarakterisering en probleemoplossing technieken met behulp van de eenvoudiger rechthoekige actuator geometrie. We laten zien hoe je gemeenschappelijke elektrochemische karakteriseringstechnieken zoals cyclische voltammetrie (CV) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) gebruiken om het actuatormateriaal in meer detail te karakteriseren en op te lossen. De visualisatie van de composiet in sub-millimeter niveau wordt gedaan met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), waarvoor we gebruik maken van de cryo-breken techniek om de monsters voor te bereiden. De polymere aard van het materiaal maakt het moeilijk om duidelijke dwarsdoorsnedes te verkrijgen met slechts regelmatig snijden. Het breken van bevroren monsters resulteert echter in goed gedefinieerde dwarsdoorsnedes.
Figuur 2: Overzicht van het fabricageproces. De belangrijkste stappen worden gemarkeerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Protocol
LET OP: Veel chemische stoffen en componenten die in dit protocol worden gebruikt, zijn gevaarlijk, raadpleeg de relevante veiligheidsinformatiebladen (SDS) voor meer informatie voordat u met het experiment begint. Gebruik een rookkap en persoonlijke beschermingsmiddelen (handschoenen, bril, labjas) bij het hanteren van vluchtige oplosmiddelen tijdens het experiment (bijvoorbeeld tijdens de voorbereiding van oplossingen, het maken van het versterkte membraan, het spuiten van de elektroden en het bevestigen van de huidige collectoren). Voorkom direct huidcontact met de uiteindelijke composiet (tenzij het is ingekapseld28) door altijd handschoenen te dragen.
1. Het afscheidermembraan maken
- Neem een frame, zoals een borduurframe.
LET OP: We hebben standaard framematen gebruikt van 7,5 cm tot 25 cm, afhankelijk van de gewenste batchgrootte. Het belangrijkste is dat het frame moet worden gemaakt van materialen die bestand zijn tegen de oplosmiddelen en andere materialen die in het recept worden gebruikt. In dit protocol wordt bijvoorbeeld een polypropyleen borduurframe gebruikt. Echter, indien onzeker, het doen van een oplosmiddel test op het frame wordt aanbevolen. - Kies tussen opties A tot en met C (hierboven besproken en gepresenteerd in figuur 2)om de meest geschikte membraanconfiguratie voor de geplande toepassing te vinden. Slechts één van de drie membranen is nodig om functioneel actuatormateriaal voor te bereiden.
- Optie A: Met behulp van zeer poreuze commerciële filtratiemembranen bij de bereiding van iongeleidende separatoren
- Neem een filtermembraan met hoge porositeit (zoals een 30 μm dik, 80% porositeit PTFE membraanfilter). Als het standaardfilter te groot is voor het frame, snijd het dan in vorm met een schaar. Snijd het membraan tussen de overdrachtvellen om besmetting te voorkomen.
- Bevestig en strak het droge filtratiemembraan op het frame.
OPMERKING: Sommige filtratiemembranen kunnen vrij kwetsbaar zijn in de droge toestand. Maak droge membranen uiterst zorgvuldig vast om scheuren te voorkomen. - Ga naar stap 2 om door te gaan met de elektromechanisch actieve composietvoorbereiding.
- Optie B: Met behulp van elektrolyt-geïmpregneerde commerciële filtratiemembranen bij de bereiding van iongeleidende afscheiders
- Neem een filtermembraan met hoge porositeit (zoals een 30 μm dik, 80% porositeit PTFE membraanfilter). Als het standaardfilter te groot is voor het frame, snijd het dan in vorm met een schaar. Snijd het membraan tussen de overdrachtvellen om besmetting te voorkomen.
- Noteer de droge membraanmassa met behulp van een analytische balans om de opname van elektrolyt later te berekenen. Deze stap is alleen nodig voor batch-to-batch repeatability monitoring en kan anders worden overgeslagen.
- Plaats het droge membraan in een petrischaal en gebruik een pipet om een overmaat aan ionische vloeistof toe te voegen (bijvoorbeeld 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethansulfonaat ([EMIM][OTf])).
LET OP: Gebruik handschoenen om contact met de huid te voorkomen. - Kantel de petrischijf lichtjes om ervoor te zorgen dat het hele membraan bedekt is met ionische vloeistof of gebruik een pipet om ionische vloeistof over te brengen naar gebieden waar het membraan nog droog is.
- Laat het membraan weken in ionische vloeistof om maximale opname van elektrolyt te bereiken.
- Zodra het membraan voldoende is gedrenkt (in de video na ongeveer 1 minuut), pipet uit het grootste deel van de overtollige ionische vloeistof.
- Plaats het membraan zorgvuldig tussen filterpapier om de rest van de ionische vloeistof te verwijderen die niet door het membraan is geabsorbeerd. Het uiteindelijke membraan moet semi-transparant zijn, maar niet nat.
- Noteer de massa van het geweekte en gedroogde membraan uit stap 1.4.7 met behulp van een analytische balans. Deze stap is alleen nodig voor de batch-to-batch herhaalbaarheidscontrole en kan anders worden overgeslagen.
OPMERKING: In het geval van zeer poreuze PTFE-membranen en relatief lage viscositeit ionische vloeistoffen (bijvoorbeeld [EMIM][OTf]), wordt vrijwel onmiddellijk een maximale ionische vloeistofopname bereikt. Het gebruik van verschillende ionische vloeistoffen en verschillende (minder poreuze) commerciële polymeermembranen kan resulteren in langere wekentijden. Deze behoefte kan worden bepaald door de stappen 1.4.1 tot en met 1.4.8 te herhalen. totdat een constante membraanmassa wordt verkregen. Echter, als het elektrolyt is te stroperig of het membraan niet poreus genoeg dan de prestaties van de actuator misschien niet erg hoog. - Maak en strak het geweekte en gedroogde membraan op het frame te vermijden rimpels en plooien.
- Optie C:Het maken van een ion-geleidend textiel-versterkt membraan dat nuttig kan zijn bij het plannen om aangepaste polymeren te gebruiken (dat wil zeggen, polymeren niet beschikbaar als commerciële (filtratie) membranen), aangepaste membraandiktes, ionische vloeistoffen met een hogere viscositeit of bij de integratie van gereedschappen in de actuator. Hier tonen we de basisprocedure voor textielversterkte membraanfabricage die bijvoorbeeld kan worden aangepast aan gereedschappen of buizen (zie Ref24voor meer informatie).
- Meng in een 100 mL Erlenmeyer-kolf 2 g polyvinylidenefluoride (PVDF), 2 g ionische vloeistof (bijvoorbeeld [EMIM][OTf]), 4 mL propyleencarbonaat (PC) en 18 mL N,N-dimethylacetamide (DMAc).
LET OP: DMAc en PC zijn toxische en gezondheidsrisico's en kunnen de huid en ogen irriteren. Omgaan met zorg, gebruik maken van een rookkap en persoonlijke beschermingsmiddelen. - Voeg een magnetische roerstaaf toe en sluit de kolf met een stop.
- Sluit de kolf af met een laboratoriumrekfolie op basis van polyethyleen om de verdamping van oplosmiddelen te voorkomen.
LET OP: Gebruik een rekfolie die bestand is tegen roeren bij 70 °C (bijvoorbeeld het smeltpunt van Parafilm is slechts 60 °C, en daarom zou Parafilm niet geschikt zijn voor deze toepassing). - Roer de oplossing 's nachts op 70 °C met behulp van een magneetroerer en een temperatuurgecontroleerde kookplaat. Stel de roersnelheid in op medium. Te hoge roersnelheid kan te veel lucht in de oplossing brengen, terwijl te langzaam roeren kan leiden tot aanzienlijk langere bereidingstijd.
LET OP: Het experiment kan hier worden onderbroken en later worden voortgezet. De geprepareerde oplossing kan gedurende langere tijd in een afgesloten vat worden bewaard. Verwarm en meng de opgeslagen oplossing voordat u begint deze opnieuw te gebruiken (mengen bij 70 °C gedurende 1 uur is meestal voldoende). - Knip een stuk stof (bijvoorbeeld zijde of glasvezeldoek) uit met een schaar.
OPMERKING: Textiel met inerte vezelsamenstelling zoals zijde of glasvezel werkt het beste omdat oplosmiddelen uit de membraanoplossing deze niet oplossen. Het is echter raadzaam om een oplosmiddeltest uit te voeren voordat u een stof gebruikt. Lichtgewicht stoffen hebben de voorkeur omdat deze stoffen de bediening van het uiteindelijke composiet het minst beïnvloeden. In de video hebben we geweven zijdestof (11,5 g/m2)gebruikt. - Maak de stof vast en strak op een frame.
- Trim eventuele overtollige stof met behulp van een schaar en verwijder zorgvuldig eventuele losse vezels met de hand.
- Tijdens het werken onder de rookkap, bedek de stof met een dunne laag membraan oplossing met behulp van een penseel.
- Laat de laag volledig drogen. Een hete lucht kanon bij lage snelheid alleen eerst en later samen met een specifieke opstelling (zie Figuur 5 voor details) kan worden gebruikt om het oplosmiddelverdampingsproces te versnellen.
OPMERKING: Het gebruik van een te hoge rotatiesnelheid met de speciale installatie op een relatief nat membraan kan vervormingen van de membraanlagen veroorzaken en kan leiden tot het verlies van membraanmateriaal. - Nadat de laag is opgedroogd, inspecteer het composiet tegen achtergrondverlichting op gaatjes. Een microscoop kan ook worden gebruikt voor dit doel.
- Als er gaatjes in het membraan zitten, breng dan een andere laag coating aan door stap 1.5.8 te herhalen. en 1.5.9.
- Wissel af tussen de zijkanten van het textiel bij het aanbrengen van de membraanoplossing om ervoor te zorgen dat de wapening (d.w.z. het neutrale vlak) in het midden van het membraan blijft (zie het SEM-beeld in figuur 3D dat textielvezels toont die zich in het midden van de membraanlaag bevinden).
LET OP: De oplosmiddelen in de polymeeroplossing lossen de eerder aangebrachte lagen langzaam op. Voeg daarom met uiterste voorzichtigheid de volgende membraanlagen toe om schade aan het reeds aangebrachte membraan te voorkomen. Breng zo dun lagen mogelijk en nooit gaan over reeds natte oppervlakken tweemaal. - Zodra een defectvrij membraan is verkregen, controleer dan de uiteindelijke dikte met behulp van een micrometer schroefmeter. Meestal moeten ten minste drie lagen worden toegepast, wat resulteert in een ongeveer 50 μm dik membraan.
- Laat het afgewerkte membraan minstens 24 uur onder de rookkap drogen.
LET OP: Het experiment kan hier worden onderbroken en later worden voortgezet met het spuiten van de elektroden. Het is echter raadzaam om het voorbereide membraan tijdens het drogen af te schermen tegen stofdeeltjes.
- Meng in een 100 mL Erlenmeyer-kolf 2 g polyvinylidenefluoride (PVDF), 2 g ionische vloeistof (bijvoorbeeld [EMIM][OTf]), 4 mL propyleencarbonaat (PC) en 18 mL N,N-dimethylacetamide (DMAc).
2. Het maken van de elektroden
OPMERKING: De elektrodesuspensie bestaat uit elektrodeoplossing A (een polymeeroplossing) en elektrodesuspensie B (met het koolstofpoeder en het elektrolyt) die afzonderlijk worden bereid en vervolgens worden gemengd om de uiteindelijke suspensie te verkrijgen. Het oplosmiddel dat voor de elektrodesuspensie is geselecteerd, lost de inerte membraanversterkingen of PVDF die in de textielversterkte membraanconfiguratie wordt gebruikt, niet op. Daarom wordt het risico op beschadiging van het reeds verkregen membraan tijdens de toevoeging van elektroden tot een minimum beperkt.
- Voorbereiding van de elektrodeoplossing A
- Meng in een 100 mL Erlenmeyer-kolf 2 g poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropyleen) (PVDF-HFP) en 24 ml 4-methyl-2-pentanone (MP).
LET OP: MP is ontvlambaar en acuut giftig. Gebruik een rookkap en persoonlijke beschermingsmiddelen. - Voeg een magnetische roerstaaf toe en sluit de kolf met een stop.
- Sluit de kolf af met laboratoriumrekfolie op basis van polyethyleen.
- Roer de oplossing met gemiddelde snelheid bij 70 °C met behulp van een magnetische roerganger en een temperatuurgecontroleerde kookplaat totdat het polymeer volledig is opgelost, meestal 's nachts.
LET OP: Het protocol kan hier worden onderbroken. De bereide oplossing kan gedurende langere tijd in een gesloten en gesloten vat worden bewaard. Als de oplossing in een gel is veranderd, verwarmt u deze (tot 70 °C) en mengt u deze voordat u deze in stap 2.3 gebruikt. Het is niet nodig om meer oplosmiddel toe te voegen. Typisch, de hoeveelheden in dit recept opbrengst voor ongeveer 150 cm2 van actief materiaal (uiteindelijke composiet dikte ongeveer 150 μm). Dit komt overeen met twee borduurframebatches met een diameter van 10 cm.
- Meng in een 100 mL Erlenmeyer-kolf 2 g poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropyleen) (PVDF-HFP) en 24 ml 4-methyl-2-pentanone (MP).
- Voorbereiding van de elektrodeophanging B
- Meng in een andere 100 mL Erlenmeyer-kolf 1,75 g koolstof (bijvoorbeeld koolstof uit TiC- of B4C-precursor), 2 g ionische vloeistof (bijvoorbeeld [EMIM][OTf]) en 10 ml MP.
LET OP: Ongewenste elektrostatische laadeffecten kunnen het wegen van het koolstofpoeder erg moeilijk maken. Draag statisch dissipatief schoeisel tijdens het wegen om de accumulatie van statische elektriciteit te verminderen. Gebruik bovendien persoonlijke beschermingsmiddelen om inademing van fijne koolstofdeeltjes te voorkomen. - Meng de suspensie in een gesloten vat bij kamertemperatuur gedurende ten minste 1 uur met behulp van een magnetische roerganger. Als alternatief kan de ultrasone sonde al in deze stap worden gebruikt (zie Stap 2.3.4)
OPMERKING: Het experiment kan hier worden onderbroken en de ophanging B kan gedurende een langere periode in een gesloten en gesloten vat worden opgeslagen of gemengd voordat het wordt vermengd met oplossing A om de uiteindelijke elektrodesuspensie te verkrijgen.
- Meng in een andere 100 mL Erlenmeyer-kolf 1,75 g koolstof (bijvoorbeeld koolstof uit TiC- of B4C-precursor), 2 g ionische vloeistof (bijvoorbeeld [EMIM][OTf]) en 10 ml MP.
- Voorbereiding van de definitieve elektrodevering
- Zorg ervoor dat het polymeer in oplossing A volledig wordt opgelost door de kolf iets te kantelen om onopgeloste polymeerpellets (of stukken) te detecteren en dat de oplossing in viskeuze maar vloeibare vorm is. Zo niet, roer dan bij 70 °C voordat u verder gaat met de volgende stap.
- Giet de elektrodeoplossing A (de polymeeroplossing) in de kolf met de elektrodesuspensie B (koolstof, ionische vloeistof, oplosmiddel).
- Gebruik een extra 10 mL MP om het resterende materiaal van de wanden van kolf A te spoelen en giet het naar de laatste suspensie in kolf B.
- Dompel de ultrasone sonde onder in de uiteindelijke ophanging, zet de cyclus in op 0,5 (pulsen) en homogeniseer de suspensie onder de rookkap gedurende een uur. Vermijd contact tussen de sonde en de wanden van de glazen vaten. Als er geen ultrasone sonde beschikbaar is, kan het mengen met een magnetische roerr enkele uren tot 's nachts in een verzegeld vat worden gebruikt.
OPMERKING: Het experiment kan hier worden onderbroken en de uiteindelijke elektrodesuspensie kan gedurende een langere periode worden opgeslagen of gemengd in een gesloten en verzegeld vat.
- Het spuiten van de elektroden
LET OP: Een Iwata airbrush HP TR-2 wordt hier gebruikt voor de voorbereiding van de elektroden. Er kunnen echter ook andere soorten spuitpistolen en industriële automatische spuitsystemen worden gebruikt.- Bedek de wanden van de rookkap met zwaar papier en tape voor een gemakkelijkere reiniging achteraf. Bedek het luchtinlaatgebied niet. Houd de rookkapklep tijdens het spuiten zo laag mogelijk.
- Sluit de airbrush aan op de persluchttoevoer en pas de druk aan (hier worden standaardaansluitingen en druk van 2 staven gebruikt).
LET OP: De druk moet voldoende zijn om de suspensie te dragen, maar niet te hoog om het membraan te beschadigen. - Vul het reservoir van de airbrush met aceton (of enig ander compatibel oplosmiddel) en test eerst spuiten op een stuk papier of karton om te controleren of de airbrush schoon is en vrij van verstoppingen.
- Controleer of de elektrodesuspensie die in stap 2.3 is voorbereid, in vloeibare vorm is door de kolf te kantelen. In sommige gevallen kan het veranderen in een gel als opgeslagen voor een langere periode. Verwarm het op 70 °C terwijl u mengt met een magnetische roerderbar met behulp van een temperatuurgecontroleerde kookplaat om er weer een vloeistof van te maken. Het is niet nodig om meer oplosmiddel toe te voegen.
- Giet de elektrodesuspensie van de Erlenmeyer-kolf in het schone reservoir van de airbrush.
- Test eerst de veringsstroom op een stuk papier. Ga dan verder met het bedekken van het voorbereide membraan.
- Begin met het verplaatsen van de airbrush voordat u begint te spuiten. Spray op een afstand van ongeveer 20 cm en houd de airbrush loodrecht op het membraan. Houd de airbrush in rechte en gecontroleerde slagen om het hele membraan te bedekken.
- Let op het aantal bochten dat nodig is om één kant van het membraan te bedekken, of als alternatief het ophangvolume te bewaken dat aan het reservoir is toegevoegd om gelijke elektrodediktes aan beide zijden van het membraan te garanderen.
- Laat de elektrode aan de ene kant van het membraan drogen onder de rookkap. Een hete lucht kanon kan worden gebruikt om het droogproces indien nodig te versnellen (zie Stap 1.5.9).
- Breng de tweede elektrode aan de andere kant van het membraan aan door stap 2.4.7 tot en met 2.4.9 te herhalen.
- Bedek beide zijden van het membraan meerdere keren totdat de gewenste composietdikte is bereikt (hier was de uiteindelijke totale dikte ongeveer 150 μm). Controleer de dikte van de droge composiet met behulp van een micrometer schroefmeter.
LET OP: Het experiment kan hier worden onderbroken. De droge composiet kan worden opgeslagen in een zip-lock zak voor een langere periode voordat de gouden stroom verzamelaars in stap 3.
3. Het bevestigen van de goudstroomverzamelaars
- Het voorbereiden van de lijmoplossing
LET OP: Deze oplossing kan van tevoren worden voorbereid samen met de elektrodesuspensie (en membraanoplossing). Zorg ervoor dat u de lijm opwarmt voordat u deze gebruikt om deze minder stroperig te maken.- Meng in een 100 mL Erlenmeyer-kolf 2 g PVDF-HFP, 2 g ionische vloeistof (bijvoorbeeld [EMIM][OTf]), 4 mL PC en 40 mL MP.
- Voeg een magnetische roerder toe, sluit de kolf en sluit deze af met een laboratoriumrekfilm op basis van polyethyleen.
- Laat de oplossing bij 70 °C roeren op een temperatuurgecontroleerde kookplaat totdat het polymeer is opgelost, meestal 's nachts.
- Het bevestigen van de huidige collector aan het koolstofcomposiet (één kant)
- Verwijder voorzichtig het actuatormateriaal dat in stap 2 is bereid uit het frame.
- Knip een stuk van 4 cm x 3 cm uit met een liniaal en een scalpel. Als een met textiel versterkt membraan werd gebruikt, lijn dan de snede uit met de vezels (zichtbaar vanaf de randen van het composietmateriaal).
OPMERKING: De voorgestelde snijgrootte is het handigst voor kleine tot middelgrote batches. Het is echter niet van cruciaal belang voor het verkrijgen van werkende actuatoren. - Neem een metalen pijp (hier d = 3 cm) en bevestig het stuk strak op het met behulp van tape. Probeer slechts ongeveer 1 mm van het actuatormateriaal te overlappen met tape om te voorkomen dat het actieve materiaal wordt verspillen.
OPMERKING: Het materiaal van de pijp of de coating moet bestand zijn tegen oplosmiddelen die in de lijmoplossing zijn gebruikt. De exacte samenstelling is niet cruciaal voor het verkrijgen van werkende actuatoren. Materialen die warmte goed uitvoeren (bijvoorbeeld metalen) kunnen nuttig zijn bij het versnellen van het droogproces. Echter, keramische of polymeer buizen of buizen kunnen ook geschikt zijn. - Knip met een schaar 4 cm x 4 cm goud op transferpapier en leg een van de stukken op een tissuepapier.
LET OP: Het plaatsen van de gouden bladeren op transferpapier op een zachter oppervlak is cruciaal voor het verkrijgen van een goede kwaliteit huidige verzamelaars. - Bereid een "docking" station voor de spray gun, waar het snel en veilig kan worden opgeslagen in de rechte positie. De lijm zal beginnen te drogen zodra het spuiten is gestopt en daarom is het van cruciaal belang dat er geen vertragingen in de toepassing van de goudstroom verzamelaars.
- Tijdens het werken onder de rookkap, spuit de lijmoplossing van Stap 3.1.3 op het actuatormateriaal dat op een pijp is bevestigd (Stap 3.2.3).
- Rol de pijp over het bladgoud (stap 3.2.4) terwijl de lijm nog nat is. Er is geen overmatige druk nodig voor het rollen.
- Verwijder het transferpapier en rol het tissuepapier opnieuw om er zeker van te zijn dat het goud goed is bevestigd.
- Plaats het materiaal onder een infrarood (IR) licht (afstand 10 tot 15 cm) of in een vacuümoven (hoogst mogelijke vacuüm bij kamertemperatuur) te drogen gedurende ongeveer 20 tot 30 minuten.
- Als de huidige collector niet goed is bevestigd of er enkele grotere defecten zijn, herhaalt u stap 3.2.3 tot 3.2.9 om een tweede laag toe te voegen zodra de eerste laag is gedroogd om een volledig defectvrije stroomcollector te verkrijgen.
- Het bevestigen van de huidige collector aan de andere kant van het composiet.
- Verwijder voorzichtig de tape en laat het materiaal uit de pijp.
- Reinig de pijp met aceton en tissuepapier om lijm en goudresten te verwijderen.
- Bevestig het actuatormateriaal opnieuw op de pijp met goudgecoate zijde naar de pijp gericht.
- Herhaal stap 3.2.3 tot 3.2.10 om de huidige collector ook aan de andere kant van het materiaal te bevestigen.
- Verwijder voorzichtig het afgewerkte composiet uit de pijp en laat het minstens 24 uur onder de rookkap drogen.
LET OP: Bescherm het materiaal tegen stofdeeltjes. Na het drogen kan het materiaal worden opgeslagen in een zip lock zak. Laat het monster te drogen op de pijp bij verhoogde temperaturen in plaats daarvan voor een langere periode (enkele uren tot dagen) thermoforms de actuator en daarom moet worden vermeden, tenzij thermoforming is het doel.
4. Snijden, vormgeven, contact maken en karakteriseren van de actuatoren
- Het snijden van de actuator
- Gebruik een scherpe scalpel (en een metalen liniaal) om de actuator in de gewenste vorm te snijden. Snijd altijd alle kanten van het materiaal om kortsluiting veroorzaakt door overtollig goud aan de zijkanten van de actuator te voorkomen.
LET OP: Het is niet aan te raden om het materiaal met een schaar te snijden, omdat dit het materiaal kan vervormen en kortsluiting aan de zijkanten van het monster kan veroorzaken.
- Gebruik een scherpe scalpel (en een metalen liniaal) om de actuator in de gewenste vorm te snijden. Snijd altijd alle kanten van het materiaal om kortsluiting veroorzaakt door overtollig goud aan de zijkanten van de actuator te voorkomen.
- Het vormgeven van de actuator (bijv. in een grijper)
OPMERKING: De vorm van dit polymere composietmateriaal kan gemakkelijk worden veranderd van een plat laminaat naar iets geavanceerder voor meer interessante toepassingen. Afhankelijk van de gewenste configuratie kan het nodig zijn om eerst contactpersonen te koppelen.- Neem de gesneden actuator en plaats deze in een mal (bijvoorbeeld in een kleine glazen flacon zoals weergegeven in de video).
- Plaats het monster minstens 1 uur in een oven en verwarm tot 60 °C.
- Met behulp van de actuator
OPMERKING: In de video tonen we aangepaste magnetische contacten en aangepaste Kelvin-clips voor het maken van contacten. In beide gevallen zijn 24k gouden platen het enige materiaal dat in direct contact staat met de actuator.- Klem de actuator tussen elektrochemisch niet-reactieve contacten (bijvoorbeeld goud).
LET OP: De contactdruk moet voldoende zijn om betrouwbaar elektrisch contact te verkrijgen, maar niet te hoog om permanente vervormingen te veroorzaken. - Pas stapspanning (of stroom) toe of gebruik meer gecompliceerde regelsignalen om de actuator te bedienen. Normaal gesproken zijn stapspanningen van ±2 V of minder gebruikt om dit type actuatoren aan te drijven. Zie Ref24 voor meer informatie over overwegingen voor actuatorbesturing.
- Neem tegelijkertijd de actuatie op met behulp van een laserverplaatsingsmeter of een videocamera.
- Klem de actuator tussen elektrochemisch niet-reactieve contacten (bijvoorbeeld goud).
- Cryo-fracturing voor SEM imaging (PTFE-gebaseerde actuatoren)
LET OP: Het breken van de monsters na het invriezen van vloeibare stikstof is de voorkeur voor het verkrijgen van schone dwarsdoorsnedes tijdens SEM-beeldvorming.
LET OP: Sluit de dop van een vloeibare stikstofcontainer nooit goed. De drukopbouw en de daaropvolgende ontlading kunnen ernstige verwondingen veroorzaken. Bovendien kookt vloeibare stikstof bij −196 °C, dus er moet ook voor worden gezorgd dat verwondingen als gevolg van de lage temperaturen worden voorkomen.- Giet vloeibare stikstof in een thermisch isolerende container (bijvoorbeeld een wegwerpschuimbeker)
- Plaats eerst het monster en later de metalen gereedschappen in vloeibare stikstof en laat het monster ongeveer 1 min bevriezen.
OPMERKING: Het koelen van metalen gereedschappen (bijvoorbeeld een scalpel of pincet) is raadzaam om eventuele delaminatie als gevolg van temperatuurverschillen te voorkomen. Gereedschappen hebben echter kortere koeltijden nodig dan de polymeercomposiet dankzij een betere thermische geleidbaarheid van metalen. Bovendien, te diep gekoelde metalen gereedschappen kan onmogelijk te hanteren. - Pak het bevroren monster met twee sets gekoelde pincet en breek het.
- Cryo-fracturing voor SEM imaging (met textiel versterkte actuatoren).
OPMERKING: Met textiel versterkte actuatoren (vooral als glasvezel wordt gebruikt) breken mogelijk niet quitte in bevroren toestand. Schone dwarsdoorsnedes kunnen worden verkregen door te snijden met een gekoeld mes.- Bevries de actuator en een scalpel in vloeibare stikstof (zie de Opmerking in stap 4.4.2).
- Plaats het bevroren monster op een anti-aanbakoppervlak (bijvoorbeeld een blok PTFE) en hak het actuatormateriaal met behulp van de gekoelde scalpel.
Representative Results
Het primaire eindpunt om onderscheid te maken tussen een succesvol en een mislukt experiment is de reactie van het materiaal op elektrische signalen nadat het is aangesloten op een voeding. In de elektrotechniek is koper een bekend materiaal voor contactmaken. Koper is echter ook elektrochemisch actief en daarom niet geschikt om contact te maken met een ionisch systeem dat hier wordt geïntroduceerd. Het gebruik van koperen contacten kan kortsluiting veroorzaken als gevolg van dendrietenvorming door de composiet. Bovendien is het in geval van materiële karakterisering onmogelijk onderscheid te maken tussen stromingen (en actuatie) die voortvloeien uit het elektroactieve materiaal en die voortvloeien uit de elektrochemische activiteit van koper29. We hebben eerder aangetoond dat actuatie – hoewel onbetrouwbaar – zonder extra actief materiaal (d.w.z. zonder de koolstof- of geleidende polymeerelektroden) mogelijk is in het geval van natte ionomermembranen (bijvoorbeeld Nafion) en alleen koperterminals29. Daarom zijn alle experimenten met het actieve materiaal hier uitgevoerd met alleen inerte goudcontacten.
Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) is een niet-destructieve methode voor het karakteriseren en oplossen van het capacitieve actuatormateriaal voor gebruik. De impedantiespectra in figuur 4C en 4D werden vastgelegd met behulp van een potentiostat/galvanostat/FRA in twee-elektrode configuratie. Het monster (20 mm x 4 mm x 150 μm) werd tussen gouden contacten geplaatst, de ingangssignaalamplitude tijdens de impedantiemeting werd ingesteld op 5 mVRMS en frequenties van 200 kHz tot 0,01 Hz werden gescand. Figuur 4C en 4D tonen de typische impedantiespectra van actuatoren met respectievelijk hoge (~300 Ω cm2)of met een lage (~5 Ω cm2)interne weerstand. De spectra werden geregistreerd met behulp van een monster met het droge PTFE-membraan en een ander monster met respectievelijk het geweekte membraan. Een hogere ionische geleidbaarheid door het materiaal komt meestal overeen met snellere actuatoren en mogelijk ook meer verplaatsing op dezelfde actuatiefrequentie (zie figuur 4B),als alle andere parameters (bijvoorbeeld mechanische parameters) ongewijzigd blijven en het materiaal in het algemeen actief is.
Het niet-destructieve karakter van EIS is vooral gunstig voor de detectie van kortsluiting in het composiet. In het geval van actuatoren die volgens het huidige protocol zijn voorbereid, worden kortsluitingen meestal veroorzaakt door stroomcollectorpuin aan de zijkanten van de actuator (zie snijinstructies in stap 4.1.1) of meer zelden door een defect membraan (bijvoorbeeld wanneer niet alle gaatjes in het met textiel versterkte membraan worden bedekt, zoals aangegeven in punt 1.5). Een weerstand (in dit geval kortsluiting) zou worden gepresenteerd als een stip op de Nyquist plot van een EIS-experiment. Het observeren van een dergelijke respons is een bepaalde indicator van een defect monster (zie figuren 4C en 4D voor referentiespectra van functionele capacitieve actuatoren). Kortgesloten monsters zouden meestal niet werken. Bovendien zouden deze meestal permanent nutteloos worden gemaakt als gevolg van weerstandsverhitting en het daaruit voortvloeiende smelten van de composiet wanneer het wordt geprobeerd te bedienen.
In zijn functionele vorm is dit materiaal een dubbele laagcondensator die buigbewegingen laat zien als reactie op het opladen en ontladen van de dubbele laag dankzij specifiek op maat gemaakte elektrolyten die worden gebruikt bij de fabricage ervan. Cyclische voltammetrie (CV) is een veel gebruikte techniek in de elektrochemie om verschillende systemen te bestuderen. Tijdens een CV-experiment wordt het potentieel van de werkende elektrode (in dit geval een van de elektroden van de actuator) varieerde ten opzichte van een tegenelektrode (hier de andere elektrode van de actuator) met constante snelheid (bijvoorbeeld 800 mV/s tussen ±2 V) en wordt de huidige respons van het systeem geregistreerd met behulp van een potentiostat. Een typische actuele respons van het capacitieve laminaat wordt gepresenteerd in figuur 4E. De huidige respons van het monster met het geweekte PTFE-membraan (in donkergrijs in 4E)lijkt op die van een ideale condensator: de stroom is niet afhankelijk van het elektrodepotentieel en bij het omkeren van het potentieel wordt de huidige richting (en dus het teken) onmiddellijk gewijzigd, wat resulteert in een (bijna) rechthoekig voltammogram. De huidige respons van het monster met een aanvankelijk droog membraan (in roze in 4E)vertoont minder ideaal condensatorgedrag bij deze scansnelheid, waarschijnlijk als gevolg van een hoge interne weerstand van het materiaal (zoals ook blijkt uit EIS in figuur 4C). Toch tonen beide monsters het capacitieve karakter van het composiet. Aan de andere kant, lichtgrijze lijnen in figuur 4E tonen mogelijk gedrag van defecte monsters (bijvoorbeeld kortsluiting degenen) die nauw zou volgen van de wet ohm's.
De prestaties van verschillende functionele actuatoren worden gepresenteerd in figuur 4A en figuur 4B. Figuur 4A toont snapshots uit de video waarin een thermogevormde actuator met 5 vingers een willekeurig gevormd object vasthoudt, vasthoudt en vrijgeeft in reactie op spanningsstappen. Eenvoudigere geometrieën worden meestal gebruikt voor de materiaalkarakteriseringsdoeleinden. Figuur 4B benadrukt bijvoorbeeld de droge en geweekte ptfe-membraanactuatoren de maximale buighoek28,30 in reactie op driehoekige spanningssignalen tussen ±2 V. Om verschillende actuatormaterialen te karakteriseren, werden monsters (4 mm x 20 mm x 150 μm) tussen gouden klemmen in de cantileverpositie geplaatst (waardoor 18 mm vrije lengte voor actuatie overblijft) en de buighoek werd opgenomen met behulp van een videocamera. Als alternatief is de beweging van een enkel punt langs de actuator (bijvoorbeeld 5 mm van de contacten) meestal in de tijd gecontroleerd en gebruikt in stamverschilberekeningen31,32. Videoverwerking, hoewel ingewikkelder, geeft meer informatie over het hele buigprofiel van het monster en maakt het ook mogelijk om de prestaties later opnieuw te analyseren, als een dergelijke behoefte zich zou voordoen. Het 0,1 Hz-punt in figuur 4B komt overeen met exact hetzelfde signaal als in de cyclische voltammetrie-experimenten van figuur 4E, zowel in termen van actuatiespanning als actuatiefrequentie. Met behulp van hetzelfde signaal voor karakterisering en bediening kunnen we bijvoorbeeld conclusies trekken over de capacitieve aard van het materiaal en over de stabiliteit en het gebrek aan elektrochemische reacties tijdens de bediening.
Elektrochemische methoden (EIS, CV), visualisatie van de actuatorstructuur in het (meestal) micrometerniveau (SEM) en verplaatsingskarakterisering zijn de meest voorkomende methoden voor het karakteriseren van ionische actuatoren en het evalueren van het succes van het fabricageproces. Er worden echter vaak aangepaste experimenten ontwikkeld om de prestaties van de actuator in een meer specifieke toepassing te evalueren om toepassingsspecifieke prestaties te evalueren (bijvoorbeeld de mogelijkheid om een belasting te dragen).
Figuur 3: Beeldvorming. Scanning elektronenmicrografen met het zeer poreuze PTFE-membraan(A)en een doorsnede van een actuator gemaakt met hetzelfde membraan zonder delaminatie(C). SEM-micrograaf met een doorsnede van een met textiel versterkte actuator(D)en een optische foto van de overeenkomstige zijdeversterking (B). Monsters voor SEM dwarsdoorsnedes werden eerst cryo-gebroken met behulp van vloeibare stikstof, gemonteerd op een metalen monster houder en vervolgens gesputterd met 5 nm goud voor een betere definitie met behulp van een sputter coater. Een tafelblad scanning elektronenmicroscoop werd gebruikt voor beeldvorming op 15 keV versnellingspanning. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Representatieve resultaten van de actuator. aA) Spanningstreden en overeenkomstige afbeeldingen van de vijfarmige grijper die een voorwerp met willekeurige vorm vastgrijpt (actuator zonder contacten 21 mg; polystyreenschuimbelasting 17,8 mg); bB) totale buighoek van 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE-gebaseerde actuatoren geklemd tussen goudcontacten (18 mm vrije lengte) in reactie op een driehoekig actuatiesignaal (±2 V) bij verschillende actuatiefrequenties (n=3, foutbalken vertegenwoordigen één standaardafwijking van het gemiddelde); (C en D) typische elektrochemische impedantiespectra van de elektromechanisch actieve capacitieve laminaat (5 mVRMS-signaalamplitude); ( E) typische cyclische voltammetrie van de capacitieve laminaat (driehoekige actuatiesignaal met behulp van 800 mV/s scansnelheid die overeenkomt met de 0,1 Hz punten in B). Grijze lijnen op de cyclische voltmogrammen zijn voor vergelijking en tonen respons van een potentiële defecte actuator (in wezen een weerstand) die de wet van de Ohm op de voet zou volgen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Spindrogen tijdens membraanvoorbereiding. (A) schema's van de setup(B)afbeelding van de setup met een frame met versterking bevestigd. Tijdens het drogen van de rotatie stuurt de centrifugale kracht het resterende oplosmiddel in de membraanlaag naar de rand van het frame. Dit kan gunstig zijn voor het versnellen van het droogproces. In het geval van volledig natte membranen kan dit echter leiden tot het verlies van actief materiaal (polymeer en ionische vloeistof) en moet daarom worden vermeden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Discussion
We presenteerden een eenvoudige, snelle, herhaalbare en veelzijdige fabricagemethode voor ionische elektromechanisch actieve composietvoorbereiding voor verschillende actuatortoepassingen, en met kleine wijzigingen ook voor energieopslag, oogsten33 of sensing34 toepassingen. De huidige methode richt zich op membranen met een integraal passief en chemisch inert component (bijvoorbeeld een met textiel versterkt polymeernetwerk of een zeer poreus Teflon membraan, zie ook figuur 3), omdat dergelijke membranen het actuatorvoorbereidingsproces ook op grote schaal aanzienlijk vereenvoudigen. Bovendien hebben de resulterende membranen een lager risico op zwelling en knik als gevolg van oplosmiddelen (of elektrolyt) in de elektrodesuspensie of van kortsluitingshotspotvorming in vergelijking met veel andere gangbare actuatorfabricagemethoden en -materialen.
De kritische stappen in de capacitieve actuator laminaat voorbereiding zijn het membraan voorbereiding, elektrode fabricage, huidige collector bevestiging, snijden, en contact (Figuur 2). Elk van deze stappen laat ruimte voor maatwerk en prestatieoptimalisatie, maar ook voor fouten. In de volgende sectie zullen we de gunstige wijzigingen en probleemoplossingsstrategieën van deze fabricagemethode nader in detail bespreken. Een hoogwaardige composiet is het resultaat van het samenspel van verschillende belangrijke aspecten die in gedachten moeten worden gehouden: voldoende elektronische geleidbaarheid langs de elektrode (voeg goudstroomcollectortoehal n.a.v. koolstofelektroden toe); voldoende ionische geleidbaarheid door het membraan (gebruik een dun poreus membraan en voldoende hoeveelheid elektrolyt met een lage viscositeit, vermindert het risico op ongunstige interacties tussen het membraan en het elektrolyt met behulp van een inert polymeernetwerk); hoge oppervlakte van de elektrode (selecteer een geschikt koolstoftype); op maat gemaakte elektrolyten die resulteren in asymmetrische zwelling/samentrekking van de elektroden (selecteer een geschikt elektrolyt); mechanische parameters (Young's moduli van de componenten). Deze belangrijkste aspecten van een hoogwaardige koolstofgebaseerde actuator worden ook op figuur 1B belicht.
Een high-performance membraan is het centrale deel van deze composiet. Het heeft twee taken: voorkomen dat elektronengeleiding (kortsluiting) tussen de elektroden, terwijl het mogelijk maken van een hoge ionische geleidbaarheid. Wijzigingen aan het membraan kunnen verschillende doeleinden dienen, bijvoorbeeld gereedschapsintegratie zoals geïntroduceerd door Must et al.24 of de toevoeging van nieuwe eigenschappen (bijvoorbeeld biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid of verschillende mechanische eigenschappen). De huidige fabricagemethode kan worden aangepast om andere polymeren en elektrolyten in het membraan te gebruiken om nieuwe eigenschappen in het actieve laminaat te introduceren. Net als de hier geïntroduceerde oplosmiddelselectiestrategie voor de met textiel versterkte actuatoren, is het raadzaam om slechtere oplosmiddelen te selecteren voor de daaropvolgende elektrodefabricage in vergelijking met het membraanpreparaat. Dit zorgt ervoor dat het membraan ook na toevoeging van elektroden functioneel en intact blijft.
De actuatieprestaties van het uiteindelijke composiet worden beïnvloed door het geselecteerde elektrodemateriaal (koolstof), het elektrolyt en eventueel de compatibiliteit ervan met elkaar. Dit protocol introduceert de fabricage van op koolstof gebaseerde capacitieve laminaat met behulp van boorcarbide afgeleide koolstof en 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonaat ([EMIM][OTf]) ionische vloeistof. Hetzelfde protocol is echter aanpasbaar aan andere koolstofmaterialen met een hoog oppervlak, zoals koolstofuit bidmeerproducten uit andere bronnen (bijvoorbeeld TiC35, SiC of Mo2C36),koolstofnanobuisjes8,,37, koolstofaerogel38 of grafeen39, en andere, zoals onlangs ook is beoordeeld40. Bovendien kunnen ook andere elektrolyten worden gebruikt in de actuator voorbereiding. Het verkrijgen van een functionele composiet is niet beperkt tot de koolstof- en ionische vloeistoftypen die in dit protocol worden gepresenteerd. De grootte van de koolstofdeeltjes, de mogelijke agglomeratie in de elektrodesuspensie en de veringsviscositeit zijn crucialere parameters voor het spuitcoatingproces.
Deze methode maakt de productie van elektromechanisch actief laminaatmateriaal met reproduceerbare eigenschappen in grote hoeveelheden mogelijk. Miniaturisatie van actuatoren gemaakt van dit materiaal wordt voornamelijk uitgevoerd met behulp van hoge precisie snijden (bijvoorbeeld figuur 3C). Alternatieve methoden voor het voorbereiden van fijne structuren, zoals maskeren, en patronen zijn mogelijk tijdens spray-coating41. Bovendien kunnen millimeter-schaal structuren ook worden patroon in de daaropvolgende goudstroom collector bevestiging stap. Echter, in sub-millimeter schaal kan dit heel moeilijk worden. Andere soorten actuatoren of op koolstof gebaseerde actuatoren zonder goudstroomcollectoren kunnen gemakkelijker te bereiden zijn, als de patroonbare kenmerken in de micrometerschaal moeten zijn.
Intrinsiek zachte actuatoren die reageren op elektrische stimuli hebben vele voordelen dankzij hun zachte en conforme aard, stille werking en lage vereiste spanningsniveaus. Het huidige protocol laat zien hoe dergelijk materiaal in grotere hoeveelheden en met een hoge batch-to-batch en binnen-batch herhaalbaarheid te produceren zonder afbreuk te doen aan de actuatie prestaties. Wijzigingen in de huidige methode om meer bio-vriendelijke en eventueel ook bio-afbreekbare componenten die operatie dicht of in levende organismen in aanvulling op succesvolle totale inkapseling benaderingen, en de integratie van de geïntroduceerde actieve materiaal in zachte robot of biomedische apparaten zijn voorzien voor de toekomst.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs willen Ron Hovenkamp en Marcel Mulder van Philips Research bedanken voor nuttige discussies. Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door institutionele onderzoeksfinanciering IUT (IUT 20-24) van het Estse ministerie van Onderwijs en Onderzoek, door de Estse subsidie van de Onderzoeksraad (PUT1696), door het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling, door het programma Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), door het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie in het kader van de Marie Skłod-Curie-subsidieovereenkomst nr. , een eit-gezondheidsinnovatieproject. EIT Health wordt ondersteund door EIT, een orgaan van de Europese Unie.
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. Carbon Nanotube Actuators. Science. 284 (5418), 1340-1344 (1999).
- 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).
