Summary
Denne artikkelen beskriver en rask og enkel produksjonsprosess av ioniske elektromekanisk aktive komposittmaterialer for aktuatorer i biomedisinske, biomimetiske og myke robotapplikasjoner. De viktigste fabrikasjonstrinnene, deres betydning for aktuatorenes endelige egenskaper, og noen av de viktigste karakteriseringsteknikkene er beskrevet i detalj.
Abstract
Ioniske elektromekanisk aktive kapasitive laminater er en type smart materiale som beveger seg som svar på elektrisk stimulering. På grunn av den myke, kompatible og biomimetiske naturen til denne deformasjonen, har aktuatorer laget av laminatet fått økende interesse for myk robotikk og (bio)medisinske applikasjoner. Imidlertid er metoder for å enkelt dikte det aktive materialet i store (selv industrielle) mengder og med en høy batch-til-batch og in-batch repeterbarhet er nødvendig for å overføre kunnskapen fra laboratorium til industri. Denne protokollen beskriver en enkel, industrielt skalerbar og reproduserbar metode for fabrikasjon av ioniske karbonbaserte elektromekanisk aktive kapasitive laminater og utarbeidelse av aktuatorer laget av disse. Inkluderingen av et passivt og kjemisk inert (uoppløselig) mellomlag (f.eks. et tekstilforsterket polymernettverk eller mikroporøs Teflon) skiller metoden fra andre. Protokollen er delt inn i fem trinn: membranforberedelse, elektrodetilberedning, nåværende samlervedlegg, skjæring og forming og aktivering. Etter protokollen resulterer i et aktivt materiale som for eksempel kan forstå og holde et tilfeldig formet objekt som vist i artikkelen.
Introduction
Ioniske elektromekanisk aktive polymer- eller polymerkompositter er iboende myke og kompatible materialer som har fått økende interesse for ulike myke robotikk- og biomimetiske applikasjoner (f.eks. som aktuatorer, gripere eller bioinspirerte roboter1,2). Denne typen materiale reagerer på elektriske signaler i området av noen få volt, noe som gjør dem enkle å integrere med konvensjonell elektronikk og strømkilder3. Mange forskjellige typer ioniske aktuatorbasematerialer er tilgjengelige, som beskrevet i detalj andre steder4, og igjen veldig nylig5. Videre har det blitt spesielt understreket nylig at utviklingen av myke robotenheter vil være svært nært knyttet til utviklingen av avanserte produksjonsprosesser for relevante aktive materialer og komponenter6. Videre har betydningen av en effektiv og veletablert prosessflyt i utarbeidelsen av reproduserbare aktuatorer som har potensial til å flytte fra laboratoriet til industrien også blitt fremhevet i tidligere metoder-baserte studier7.
I løpet av de siste tiårene har mange fabrikasjonsmetoder blitt utviklet eller tilpasset for fremstilling av aktuatorer (f.eks. lag-for-lag-støping8 og hot-pressing9,10, impregneringsreduksjon11, maleri12,13, eller sputtering og påfølgende elektrokjemisk syntese14,15, blekkskriver utskrift16 og spin-belegg17); noen metoder er mer universelle, og noen er mer begrensende når det gjelder materialvalg enn andre. Mange av dagens metoder er imidlertid ganske kompliserte og/eller mer egnet for laboratorieskalafabrikasjon. Den nåværende protokollen fokuserer på en rask, repeterbar, pålitelig, automatisert og skalerbar aktuatorfabrikasjonsmetode for å produsere aktive laminater med lav batch-til-batch og innenfor batch variabilitet og en lang aktuator levetid18. Denne metoden kan brukes av materialer forskere til å utvikle høy ytelse aktuatorer for neste generasjon av bioinspirerte applikasjoner. Videre, etter denne metoden uten modifikasjoner gir myke robotingeniører og lærere et aktivt materiale for utvikling og prototyping av nye enheter, eller for undervisning av myke robotikkkonsepter.
Ioniske elektromekanisk aktive polymer- eller polymeraktuatorer er vanligvis laget av to- eller tre-lags lamitarkompositter og bøyer seg som svar på elektrisk stimulering i området få volt (figur 1). Denne bøyebevegelsen er forårsaket av hevelse og sammentrekningseffekter i elektrodelagene, og den bringes vanligvis sammen enten av faradaiske (redoks) reaksjoner på elektrodene (f.eks. i karbonbaserte polymeriske elektroder, hvor polymeren bare kan fungere som et bindemiddel). I denne protokollen (Figur 2)fokuserer vi på sistnevnte; vi viser fabrikasjon av en elektromekanisk aktiv kompositt som består av to høyspesifikke overflateareal elektronisk ledende karbonbaserte elektroder som er atskilt av en inert ion-ledende membran som letter bevegelsen av kationer og anioner mellom elektrodene – en konfigurasjon som ligner på superkondensatorene. Denne typen aktuatorbøyninger som svar på kapasitiv lading/lossing og den resulterende hevelsen/sammentrekningen av elektrodene skyldes vanligvis forskjellene i volum og mobilitet av kationer og anioner avelektrolytten 8,10,19. Med mindre overflatefunksjonalisert karbon brukes som det aktive materialet eller kapasitiv kompositt brukes utenfor elektrokjemisk stabilitet potensial vindu av elektrolytten, ingen faradaiske reaksjoner forventes å finne sted på denne typen elektroder20. Mangelen på faradaiske reaksjoner er den viktigste bidragsyteren til de gunstig lange levetidene til dette aktuatormaterialet (dvs. tusenvis av sykluser i luft8,18 vist for forskjellige kapasitive aktuatorer).
Figur 1: Strukturen til den karbonbaserte aktuatoren i nøytral (A) og i aktuatiert tilstand (B). (B) fremhever også de viktigste egenskapene som bestemmer ytelsen til en ionisk aktuator. Merk: Figuren tegnes ikke for å skaleres. Ionstørrelse har blitt overdrevet for å illustrere den mest siterte aktiveringsmekanismen som er utbredt i tilfelle en inert membran som muliggjør mobiliteten til både anioner og kationer av elektrolytten (f.eks. ionisk væske). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Å skaffe en funksjonell membran som forblir intakt gjennom hele fabrikasjonsprosessen er et av de viktigste trinnene i vellykket aktuatorpreparat. En høyytelsesmembran for en aktuator er så tynn som mulig og muliggjør ionisk ledningsevne mellom elektrodene mens du blokkerer elektronisk ledningsevne. Den ioniske ledningsevnen i membranen kan skyldes å kombinere elektrolytten med et inert porøs nettverk (f.eks. tilnærmingen som brukes i denne protokollen) eller ved bruk av spesifikke polymerer med kovalente limte ioniserte enheter eller andre grupper som muliggjør interaksjoner med elektrolytten. Den tidligere tilnærmingen foretrekkes her for sin enkelhet, mens spesielt skreddersydde interaksjoner mellom elektrolytten og polymernettverket også kan ha fordeler, hvis ugunstige interaksjoner (f.eks. blokkering eller bremsing av ionbevegelsen betydelig på grunn av interaksjoner) kan utelukkes. Det store utvalget av ionomeriske eller på annen måte aktive membraner for elektromekanisk aktive aktuatorer og deres resulterende aktiveringsmekanismer har blitt gjennomgått nylig21. Membranvalget, i tillegg til elektrodevalget, spiller en avgjørende rolle i aktuatorens ytelse, levetid og aktiveringsmekanisme. Den nåværende protokollen fokuserer hovedsakelig på inerte membraner som gir den porøse strukturen for ionemigrasjon (som vist på figur 1), selv om deler av protokollen (f.eks. membranalternativ C) også kan være gunstig for aktive membraner.
I tillegg til membranmaterialvalget spiller fabrikasjonsmetoden også en viktig rolle i å skaffe en funksjonell separator for komposittet. Tidligere brukte støpte membraner har en tendens til å smelte under det senere hot-pressing trinn og kan derfor danne kortslutning hotspots22. Videre har kommersielle ionomeriske membraner (f.eks Nafion) en tendens til å hovne opp og spenne betydelig som svar på løsemidler som brukes i senere produksjonstrinn12, og noen polymerer (f.eks cellulose23) er kjent for å oppløses til en viss grad i noen ioniske væsker, noe som muligens forårsaker problemer med repeterbarheten av fabrikasjonsprosessen og resulterer i dårlig ensartethet av elektrodene. Derfor fokuserer denne protokollen på aktuatorer med en integrert passiv og kjemisk inert komponent i membranen (f.eks glassfiber eller silke med PVDF eller PTFE) som stopper komposittet fra hevelse og knekking i senere fabrikasjonstrinn eller fra å danne kortslutningssoner. Videre forenkler tillegg av en inert og passiv komponent produksjonsprosessen betydelig og muliggjør større batchstørrelser sammenlignet med mer tradisjonelle metoder.
Inkluderingen av en passiv forsterkning i membranen ble først introdusert av Kaasik et al. 18 for å takle de ovennevnte problemene i aktuatorproduksjonsprosessen. Inkluderingen av en vevd tekstilforsterkning (se også figur 3B og 3D)introduserer ytterligere evnen til å integrere verktøy i den aktivekompositt24 eller å utvikle smarte tekstiler18. Derfor er membranalternativet C i protokollen mer egnet for slike applikasjoner. Men i tilfelle miniatyriserte aktuatorer (i submillimeternivået), blir det passive til aktive komponentforholdet i membranen mer og mer ugunstig, og inkluderingen av en bestilt tekstilforsterkning kan begynne å påvirke aktuatorens ytelse negativt og prøvens repeterbarhet. Videre kan retningen på forsterkningen (langs eller diagonalt i forhold til bøyeretningen) påvirke ytelsen til mer komplekst formede aktuatorer uventet. Derfor ville en mindre bestilt og svært porøs inert struktur være mer gunstig for miniatyriserte aktuatorer og mer komplekse aktuatorformer.
Polytetrafluoretylen (PTFE, også kjent under handelsnavnet Teflon) er en av de mest inerte polymerene som er kjent til dags dato. Det er vanligvis svært hydrofobe, men overflatebehandlede versjoner som er gjengitt hydrofile eksisterer, som lettere kan brukes i aktuatorfabrikasjonen. Figur 3A illustrerer den tilfeldige strukturen til en inert hydrofil PTFE filtreringsmembran som ble brukt i denne protokollen for aktuatorforberedelse. I tillegg til ensartethet av dette materialet i alle retninger som er gunstig for å kutte ut miniatyriserte aktuatorer eller komplekse former, ved hjelp av en kommersiell filtreringsmembran med kontrollert porøsitet ytterligere forenkler aktuatorfabrikasjonsprosessen ved nesten å eliminere behovet for noen membran forberedelse. Dessuten er membrantykkelser så lave som 30 μm ekstremt vanskelig å få tak i den tidligere beskrevne tekstilforsterkede konfigurasjonen. PtFE-baserte aktuatorfabrikasjonsmetoder (alternativ A og B) fra denne protokollen bør derfor foretrekkes i de fleste tilfeller, og videre med tanke på at alternativ A er raskere, men aktuatorer gjort ved hjelp av alternativ B viser større stammer (i frekvensområdet som presenteres i figur 4B). Den myke griperen introdusert i den representative resultatdelen ble også utarbeidet ved hjelp av PTFE membranen først gjennomvåt i elektrolytt.
Etter at en funksjonell membran er utarbeidet, fortsetter protokollen med elektrodepreparatet og gjeldende samlervedlegg. De karbonbaserte elektrodene tilsettes ved hjelp av spraybelegg – en industrielt etablert prosedyre som muliggjør høy kontroll over den resulterende elektrodelagtykkelsen. Mer ensartede elektroder produseres med sprøytebelegg sammenlignet med for eksempel støpemetoden (eller muligens også andre flytende metoder) hvor sedimentering av karbonpartikler under filmen tørking25 er kjent for å forekomme. Videre er en ytterligere funksjon av den presenterte fabrikasjonsmetoden avhengig av løsningsmiddelvalgstrategien som er viktigst i tilfelle tekstilforsterkede membraner. Mer presist oppløses ikke 4-metyl-2-pentanon (oppløsningsvæsken i elektrodesuspensjonen og limoppløsningen) de inerte membranforsterkningene eller PVDF som brukes i membranløsningen til den tekstilforsterkede membranen. Derfor reduseres risikoen for å skape kortslutningssoner i komposittet under sprøytebelegget ytterligere.
Kapasitive laminat er allerede aktiv etter påføring av karbonelektroder. Imidlertid oppnås en størrelsesorden raskere aktuatorer26 ved bruk av gullnåværende samlere. Et ytterligere viktig skritt i protokollen er feste av nåværende samlere mens den tilsvarende elektroden er i strukket tilstand (dvs. komposittet er bøyd). Derfor, i den nøytrale flate tilstanden til aktuatoren, vil gullbladet bli spent i submillimeternivået. Denne bufring-by-buckling27 tilnærming muliggjør høyere deformasjoner uten å bryte enn ellers ville være mulig for en fin (~ 100 nm) metallplate.
Alle aktuatorproduksjonstrinnene (membrantilberedning, elektrodesprøyting, strømsamlervedlegg) er også oppsummert i figur 2. For ytelseskarakteriseringsdemonstrasjonen har vi utarbeidet en griper som i samsvar griper, holder og slipper ut et tilfeldig formet objekt med en tilfeldig overflatetekstur. Enklere geometrier, for eksempel rektangulære prøver med 1:4 eller høyere sideforhold (f.eks. 4 mm til 20 mm eller til og med 1 mm til 20 mm28)som kuttes ut av det aktive materialet og klemmes fast i kantilens posisjon, er også svært typiske for materialkarakterisering eller andre applikasjoner som bruker bøyetypenatferd.
Artikkelen avsluttes med en kort introduksjon til den typiske ioniske elektromekanisk aktive kapasitivmateriale karakterisering og feilsøking teknikker ved hjelp av enklere rektangulær aktuator geometri. Vi viser hvordan du bruker vanlige elektrokjemiske karakteriseringsteknikker som syklisk voltammetri (CV) og elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) for å karakterisere og feilsøke aktuatormaterialet mer detaljert. Visualiseringen av komposittet i submillimeternivå gjøres ved hjelp av skanning av elektronmikroskopi (SEM), som vi bruker kryo-fracturing teknikken for å forberede prøvene. Materialets polymere natur gjør det vanskelig å oppnå klare tverrsnitt med bare regelmessig kutting. Å bryte frosne prøver resulterer imidlertid i veldefinerte tverrsnitt.
Figur 2: Oversikt over fabrikasjonsprosessen. De viktigste trinnene er uthevet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Protocol
FORSIKTIG: Mange kjemikalier og komponenter som brukes i denne protokollen er farlige, vennligst se de relevante sikkerhetsdataarkene (SDS) for ytterligere informasjon før du starter eksperimentet. Bruk en røykhette og personlig verneutstyr (hansker, briller, laboratoriefrakk) ved håndtering av flyktige løsemidler under forsøket (f.eks. under utarbeidelse av løsninger, noe som gjør den forsterkede membranen, spraybelegg elektrodene og festing av dagens samlere). Forhindre direkte hudkontakt med den endelige kompositten (med mindre den er innkapslet28) ved alltid å bruke hansker.
1. Å lage separatormembranen
- Ta en ramme, for eksempel en broderiramme.
MERK: Vi har brukt standard rammestørrelser fra 7,5 cm til 25 cm, avhengig av ønsket batchstørrelse. Viktigst av alt bør rammen være laget av materialer som tåler løsemidler og andre materialer som brukes i oppskriften. For eksempel brukes en polypropylen broderiramme i denne protokollen. Men hvis du er usikker, anbefales det å gjøre en løsemiddeltest på rammen. - Velg mellom alternativ Ene og Alene (omtalt ovenfor og presentert i figur 2)for å finne den mest passende membrankonfigurasjonen for den planlagte applikasjonen. Bare en av de tre membranene er nødvendig for å forberede funksjonelt aktuatormateriale.
- Alternativ A: Ved hjelp av svært porøse kommersielle filtreringsmembraner i utarbeidelsen av ionledende separatorer
- Ta en høyporøsitetsfiltreringsmembran (for eksempel et 30 μm tykt, 80% porøsitet PTFE membranfilter). Hvis standardfilteret er for stort for rammen, skjærdet det i form ved hjelp av saks. Skjær membranen mellom overføringsark for å unngå kontaminering.
- Fest og stram den tørre filtreringsmembranen på rammen.
MERK: Noen filtreringsmembraner kan være ganske skjøre i tørr tilstand. Fest tørre membraner ekstremt nøye for å unngå å rive. - Flytt til trinn 2 for å fortsette med det elektromekanisk aktive komposittpreparatet.
- Alternativ B: Bruk av elektrolyttimpregnerte kommersielle filtreringsmembraner i utarbeidelsen av ionledende separatorer
- Ta en høyporøsitetsfiltreringsmembran (for eksempel et 30 μm tykt, 80% porøsitet PTFE membranfilter). Hvis standardfilteret er for stort for rammen, skjærdet det i form ved hjelp av saks. Skjær membranen mellom overføringsark for å unngå kontaminering.
- Registrer tørrmembranmassen ved hjelp av en analytisk balanse for å beregne elektrolyttopptak senere. Dette trinnet er bare nødvendig for batch-til-batch repeterbarhet overvåking og kan ellers hoppes over.
- Plasser den tørre membranen i en petriskål og bruk en pipette for å tilsette et overskudd av ionisk væske (f.eks. 1-etyl-3-metylimidazolium trifluoromethansulfonat ([EMIM][OTf])).
FORSIKTIG: Bruk hansker for å unngå hudkontakt. - Ristdisken litt for å forsikre deg om at hele membranen er dekket med ionisk væske eller bruk en pipette til å overføre ionisk væske til områder der membranen fortsatt er tørr.
- La membranen suge i ionisk væske for å oppnå maksimalt elektrolyttopptak.
- Når membranen er tilstrekkelig gjennomvåt (i videoen etter ca 1 minutt), rør av det meste av overflødig ionisk væske.
- Ved hjelp av pinsett plasserer du forsiktig membranen mellom filterpapir for å fjerne resten av den ioniske væsken som ikke har blitt absorbert av membranen. Den endelige membranen skal være semi-gjennomsiktig, men ikke våt.
- Registrer massen av den gjennomvåte og tørkede membranen fra trinn 1.4.7 ved hjelp av en analytisk balanse. Dette trinnet er bare nødvendig for batch-til-batch-repeterbarhetsovervåking og kan ellers hoppes over.
MERK: Ved svært porøse PTFE-membraner og relativt lav viskositet ioniske væsker (f.eks., [EMIM][OTf]), oppnås maksimalt ionisk væskeopptak nesten umiddelbart. Bruk av forskjellige ioniske væsker og forskjellige (mindre porøse) kommersielle polymermembraner kan resultere i lengre bløtleggingstider. Et slikt behov kan bestemmes ved å gjenta trinnene 1.4.1 til 1.4.8. til en konstant membranmasse er oppnådd. Men hvis elektrolytten er for viskøs eller membranen ikke porøs nok, kan aktuatorens ytelse ikke være veldig høy heller. - Fest og stram den gjennomvåte og tørkede membranen på rammen unngå rynker og folder.
- Alternativ C:Å lage en ionledende tekstilforsterket membran som kan være nyttig når du planlegger å bruke tilpassede polymerer (dvs. polymerer som ikke er tilgjengelige som kommersielle (filtrering) membraner), tilpassede membrantykkelser, ioniske væsker med høyere viskositet eller når du integrerer verktøy i aktuatoren. Her viser vi den grunnleggende prosedyren for tekstilforsterket membranfabrikasjon som for eksempel kan endres for å inkludere verktøy eller rør (se Ref24for mer informasjon).
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 2 g polyvinyliden fluor (PVDF), 2 g ionisk væske (f.eks., [EMIM][OTf]), 4 ml propylenkarbonat (PC) og 18 ml N,N-dimethylacetamide (DMAc).
FORSIKTIG: DMAc og PC er giftige og helsefarer og kan irritere huden og øynene. Håndter forsiktig, bruk en røykhette og personlig verneutstyr. - Tilsett en magnetisk rørestang og lukk kolben med en propp.
- Forsegle kolben med en polyetylenbasert laboratoriestretchfilm for å forhindre fordampning av løsemidler.
MERK: Bruk en strekkfilm som tåler omrøring ved 70 °C (f.eks. smeltepunktet til Parafilm er bare 60 °C, og parafilm ville derfor ikke være egnet for dette bruksområdet). - Rør oppløsningen over natten ved 70 °C ved hjelp av magnetisk røreverk og en temperaturkontrollert kokeplate. Sett omrøringshastigheten til middels. For høy omrøringshastighet kan føre for mye luft inn i løsningen, mens for langsom omrøring kan resultere i betydelig lengre tilberedningstid.
MERK: Eksperimentet kan settes på pause her og fortsettes senere. Den klargjorte løsningen kan lagres i et forseglet fartøy i en lengre periode. Varm opp og bland den lagrede oppløsningen igjen (blanding ved 70 °C i 1 time er vanligvis tilstrekkelig). - Klipp ut et stykke stoff (f.eks. silke eller glassfiberklut) ved hjelp av saks.
MERK: Tekstiler med inert fibersammensetning som silke eller glassfiber fungerer best fordi løsemidler fra membranløsningen ikke oppløses disse. Det anbefales imidlertid å utføre en løsemiddeltest før du bruker noe stoff. Lette stoffer foretrekkes fordi disse stoffene påvirker aktiveringen av den endelige kompositten minst. I videoen har vi brukt vevd silkestoff (11,5 g/m2). - Fest og stram stoffet på en ramme.
- Trim overflødig stoff ved hjelp av saks og forsiktig fjerne eventuelle løse fibre for hånd.
- Mens du arbeider under røykhetten, dekk stoffet med et tynt lag membranløsning ved hjelp av en pensel.
- La laget tørke helt. En varmluftspistol ved lav hastighet alene først og senere sammen med et dedikert oppsett (se figur 5 for detaljer) kan brukes til å fremskynde løsningsmiddelfordampningsprosessen.
MERK: Bruk av en for høy spinnhastighet med det dedikerte oppsettet på en relativt våt membran kan føre til deformasjoner til membranlagene og kan føre til tap av membranmateriale. - Etter at laget har tørket, inspiser komposittet mot bakgrunnsbelysning for pinholes. Et mikroskop kan også brukes til dette formålet.
- Hvis det er pinholes i membranen, påfør et annet lag med belegg ved å gjenta trinn 1.5.8. og 1.5.9.
- Veksle mellom sidene av tekstilet når du bruker membranløsningen for å sikre at forsterkningen (dvs. det nøytrale planet) forblir midt i membranen (se SEM-bildet i figur 3D som viser tekstilfibre plassert midt i membranlaget).
MERK: Løsemidlene i polymeroppløsningen oppløses de tidligere påførte lagene sakte. Tilsett derfor etterfølgende membranlag med ekstrem forsiktighet for å forhindre skade på den allerede påførte membranen. Påfør så tynne lag som mulig og aldri gå over allerede våte overflater to ganger. - Når en defektfri membran er oppnådd, kontroller den endelige tykkelsen ved hjelp av en mikrometerskruemåler. Vanligvis må minst tre lag påføres, noe som resulterer i en omtrent 50 μm tykk membran.
- La den ferdige membranen post-tørke under røykhetten i minst 24 timer.
MERK: Eksperimentet kan settes på pause her og fortsette senere med sprøyting av elektrodene. Det anbefales imidlertid å skjerme den tilberedte membranen mot støvpartikler under tørking.
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 2 g polyvinyliden fluor (PVDF), 2 g ionisk væske (f.eks., [EMIM][OTf]), 4 ml propylenkarbonat (PC) og 18 ml N,N-dimethylacetamide (DMAc).
2. Lage elektrodene
MERK: Elektrodesuspensjonen består av elektrodeoppløsning A (en polymerløsning) og elektrodeopphengb (som inneholder karbonpulveret og elektrolytten) som fremstilles separat og deretter blandes sammen for å oppnå den endelige suspensjonen. Oppløsningsvæsken som er valgt for elektrodesuspensjonen, oppløses ikke inertmembranforsterkningene eller PVDF som brukes i den tekstilforsterkede membrankonfigurasjonen. Derfor holdes risikoen for å skade den allerede oppnådde membranen under tilsetning av elektroder til et minimum.
- Klargjøre elektrodeoppløsningen A
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 2 g poly (vinyliden fluor-co-hexafluoropropylen) (PVDF-HFP) og 24 ml 4-metyl-2-pentanon (MP).
FORSIKTIG: MP er brannfarlig og akutt giftig. Bruk en røykhette og personlig verneutstyr. - Tilsett en magnetisk rørestang og lukk kolben med en propp.
- Forsegle kolben med polyetylenbasert laboratoriestretchfilm.
- Rør oppløsningen med middels hastighet ved 70 °C ved hjelp av en magnetisk røreer og en temperaturkontrollert kokeplate til polymeren er helt oppløst, vanligvis over natten.
MERK: Protokollen kan settes på pause her. Den klargjorte løsningen kan lagres i et lukket og forseglet fartøy i en lengre periode. Hvis oppløsningen har blitt til en gel, varmes opp igjen (til 70 °C) og bland den før den tas i trinn 2.3. Det er ikke nødvendig å legge til mer løsemiddel. Vanligvis gir mengdene i denne oppskriften ca 150 cm2 av aktivt materiale (endelig kompositttykkelse ca 150 μm). Dette tilsvarer to 10 cm diameter broderi ramme partier.
- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 2 g poly (vinyliden fluor-co-hexafluoropropylen) (PVDF-HFP) og 24 ml 4-metyl-2-pentanon (MP).
- Klargjøre elektrodeopphengb
- I en annen 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 1,75 g karbon (f.eks karbid-avledet karbon fra TiC eller B4C forløper), 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]) og 10 ml MP.
FORSIKTIG: Uønskede elektrostatiske ladeeffekter kan gjøre det svært vanskelig å veie karbonpulveret. Bruk statisk dissipative fottøy under veiing for å redusere akkumuleringen av statisk elektrisitet. Videre bruker personlig verneutstyr for å hindre innånding av fine karbonpartikler. - Bland fjæringen i et lukket fartøy ved romtemperatur i minst 1 t ved hjelp av en magnetisk røreer. Alternativt kan ultralydsonden allerede brukes i dette trinnet (se trinn 2.3.4)
MERK: Eksperimentet kan settes på pause her, og suspensjonen B kan lagres eller blandes i et lukket og forseglet fartøy i en lengre periode før det blandes med løsning A for å oppnå den endelige elektrodesuspensjonen.
- I en annen 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 1,75 g karbon (f.eks karbid-avledet karbon fra TiC eller B4C forløper), 2 g ionisk væske (f.eks. [EMIM][OTf]) og 10 ml MP.
- Klargjøre den endelige elektrodesuspensjonen
- Pass på at polymeren i løsning A er helt oppløst ved å vippe kolben litt for å oppdage uoppløste polymerpellets (eller stykker) og at løsningen er i viskøs, men flytende form. Hvis ikke, rør deretter ved 70 °C før du fortsetter med neste trinn.
- Hell elektrodeoppløsningen A (polymeroppløsningen) i kolben som inneholder elektrodesuspensjonen B (karbon, ionvæske, løsemiddel).
- Bruk en ekstra 10 ml MP til å skylle eventuelt gjenværende materiale av veggene i kolbe A og hell det til den endelige suspensjonen i kolbe B.
- Senk ultralydsonden ned i den endelige suspensjonen, sett syklus til 0,5 (pulser) og homogeniser suspensjonen under røykhetten i en time. Unngå kontakt mellom sonden og glasskarveggene. Alternativt, hvis ingen ultralydsonde er tilgjengelig, kan blanding med en magnetisk røreier i flere timer til over natten i et forseglet fartøy brukes.
MERK: Eksperimentet kan settes på pause her, og den endelige elektrodeopphenget kan lagres eller blandes i et lukket og forseglet fartøy i en lengre periode.
- Sprøyting av elektrodene
MERK: En Iwata airbrush HP TR-2 brukes her til å tilberede elektrodene. Andre typer sprøytepistoler og industrielle automatiske sprøytesystemer kan imidlertid alternativt brukes.- Dekk veggene i røykhetten med kraftig papir og tape for enklere rengjøring etterpå. Ikke dekk til luftinntaksområdet. Hold lokket på røykhetten så lavt som mulig under sprøyting.
- Koble luftbørsten til trykklufttilførselen og juster trykket (her brukes standardtilkoblinger og trykk på 2 stenger).
MERK: Trykket skal være tilstrekkelig til å bære suspensjonen, men ikke for høyt til å skade membranen. - Fyll reservoaret av airbrush med aceton (eller andre kompatible løsemiddel) og test sprøyting på et stykke papir eller papp først for å kontrollere at airbrush er ren og fri for blokkeringer.
- Kontroller om elektrodesuspensjonen som er klargjort i trinn 2.3 er i flytende form ved å vippe kolben. I noen tilfeller kan det bli til en gel hvis den lagres i en lengre periode. Varm den opp igjen til 70 °C mens du blander med en magnetisk rørestang ved hjelp av en temperaturkontrollert kokeplate for å gjøre den om til en væske igjen. Det er ikke nødvendig å legge til mer løsemiddel.
- Hell elektrodesuspensjonen fra Erlenmeyer-flasken i luftbørstens rene reservoar.
- Test opphengsstrømmen på et papirstykke først. Deretter går du videre til å dekke den tilberedte membranen.
- Begynn å flytte airbrush før du begynner å sprøyte. Spray i en avstand på ca 20 cm og hold airbrush vinkelrett på membranen. Hold luftbørsten i gang med rette og kontrollerte strøk for å dekke hele membranen.
- Legg merke til antall svinger det tar å dekke den ene siden av membranen, eller alternativt overvåke fjæringsvolumet som er lagt til reservoaret for å sikre like elektrodetykkelser på begge sider av membranen.
- La elektroden på den ene siden av membranen tørke under røykhetten. En varmluftspistol kan brukes til å akselerere tørkeprosessen om nødvendig (se trinn 1.5.9).
- Påfør den andre elektroden på den andre siden av membranen ved å gjenta trinn 2.4.7 til 2.4.9.
- Dekk begge sider av membranen flere ganger til ønsket kompositttykkelse er nådd (her var den endelige totale tykkelsen ca 150 μm). Overvåk tykkelsen på det tørre komposittet ved hjelp av en mikrometerskruemåler.
MERK: Eksperimentet kan settes på pause her. Den tørre kompositten kan lagres i en zip-lock bag i en lengre periode før du fester gullstrømsamlerne i trinn 3.
3. Feste gullstrømsamlerne
- Klargjøre limløsningen
MERK: Denne løsningen kan tilberedes på forhånd sammen med elektrodesuspensjonen (og membranoppløsningen). Pass på å varme opp limet igjen før du bruker det for å gjøre det mindre viskøs.- I en 100 ml Erlenmeyer kolbe, bland sammen 2 g PVDF-HFP, 2 g ionisk væske (f.eks., [EMIM][OTf]), 4 ml PC og 40 ml MP.
- Tilsett en magnetisk omrører, lukk kolben og forsegle den med polyetylenbasert laboratoriestretchfilm.
- La oppløsningen røre ved 70 °C på en temperaturkontrollert kokeplate til polymeren er oppløst, vanligvis over natten.
- Feste den nåværende samleren til karbonkompositten (den ene siden)
- Fjern forsiktig aktuatormaterialet som er klargjort i trinn 2 fra rammen.
- Klipp ut en 4 cm x 3 cm stykke ved hjelp av en linjal og en skalpell. Hvis en tekstilforsterket membran ble brukt, juster er det deretter kuttet med fibrene (synlig fra kantene på komposittmaterialet).
MERK: Den foreslåtte kuttstørrelsen er mest praktisk for små til mellomstore partier. Det er imidlertid ikke avgjørende for å få arbeidsaktuatorer. - Ta et metallrør (her d = 3 cm) og fest det kuttede stykket tett på det ved hjelp av tape. Prøv å overlappe bare ca 1 mm av aktuatormaterialet med tape for å unngå å kaste bort det aktive materialet.
MERK: Materialet i røret eller belegget skal tåle løsemidler som ble brukt i limoppløsningen. Den nøyaktige sammensetningen er ikke avgjørende for å oppnå arbeidsaktuatorer. Materialer som utfører varmegodt (f.eks. metaller) kan være gunstige for å akselerere tørkeprosessen. Imidlertid kan keramiske eller polymerrør eller rør også være egnet. - Bruk saks, klipp ut 4 cm x 4 cm biter av gull på overføringspapir og plasser en av bitene på et vevpapir.
MERK: Å plassere gullbladene på overføringspapir på en mykere overflate er avgjørende for å oppnå strømsamlere av god kvalitet. - Forbered en "docking" stasjon for sprøytepistolen, hvor den raskt og trygt kan lagres i oppreist stilling. Limet vil begynne å tørke så snart sprøyting stoppes, og derfor er det avgjørende at det ikke er noen forsinkelser i å bruke gullnåværende samlere.
- Mens du arbeider under røykhetten, spray limoppløsningen fra trinn 3.1.3 på aktuatormaterialet som er festet på et rør (trinn 3.2.3).
- Rull røret over gullbladet (trinn 3.2.4) mens limet fortsatt er vått. Det er ikke nødvendig med for mye trykk for rulling.
- Fjern overføringspapiret og rull over papirpapiret igjen for å forsikre deg om at gullet er riktig festet.
- Plasser materialet under et infrarødt (IR)-lys (avstand 10 til 15 cm) eller i en vakuumovn (høyest mulig vakuum ved romtemperatur) for å tørke i ca. 20 til 30 minutter.
- Hvis den nåværende samleren ikke festet riktig eller det er noen større feil, gjentar du trinn 3.2.3 til 3.2.9 for å legge til et andre lag når det første laget har tørket for å oppnå en helt defektfri strømsamler.
- Feste den nåværende samleren på den andre siden av komposittet.
- Fjern forsiktig tapen og slipp materialet fra røret.
- Rengjør røret med aceton og vevpapir for å fjerne lim og gullrester.
- Fest aktuatormaterialet igjen på røret med gullbelagt side vendt mot røret.
- Gjenta trinn 3.2.3 til 3.2.10 for å feste den gjeldende samleren på den andre siden av materialet også.
- Fjern forsiktig den ferdige kompositten fra røret og la det post-tørke under røykhetten i minst 24 timer.
MERK: Beskytt materialet mot støvpartikler. Etter tørking kan materialet lagres i en zip lock bag. La prøven tørke på røret ved forhøyede temperaturer i stedet for en lengre periode (flere timer til dager) termodanner aktuatoren, og derfor bør den unngås med mindre termoforming er målet.
4. Skjæring, forming, kontakt og karakterisere aktuatorene
- Kutte aktuatoren
- Bruk en skarp skalpell (og en metalllinjal) til å kutte aktuatoren i ønsket form. Klipp alltid alle sider av materialet for å unngå kortslutninger forårsaket av overflødig gull på aktuatorens sider.
MERK: Å kutte materialet ved hjelp av saks er ikke tilrådelig, siden dette kan deformere materialet og forårsake kortslutninger på prøvens sider.
- Bruk en skarp skalpell (og en metalllinjal) til å kutte aktuatoren i ønsket form. Klipp alltid alle sider av materialet for å unngå kortslutninger forårsaket av overflødig gull på aktuatorens sider.
- Forming aktuatoren (f.eks. til en griper)
MERK: Formen på dette polymere komposittmaterialet kan enkelt endres fra et flatt laminat til noe mer avansert for mer interessante applikasjoner. Avhengig av ønsket konfigurasjon kan det være nødvendig å knytte kontakter først.- Ta den kuttede aktuatoren og legg den i en mugg (f.eks. i et lite hetteglass som vist i videoen).
- Plasser prøven i ovnen i minst 1 time og varm til 60 °C.
- Bruke aktuatoren
MERK: I videoen viser vi tilpassede magnetiske kontakter og modifiserte Kelvin-klipp for kontakt. I begge tilfeller er 24k gullplater det eneste materialet i direkte kontakt med aktuatoren.- Klem aktuatoren mellom elektrokjemisk ikke-reaktive kontakter (f.eks. gull).
MERK: Kontakttrykket skal være tilstrekkelig til å oppnå pålitelig elektrisk kontakt, men ikke for høyt til å forårsake permanente deformasjoner. - Bruk trinnspenning (eller strøm) eller bruk mer kompliserte kontrollsignaler for å kontrollere aktuatoren. Trinnspenninger på ±2 V eller mindre har vanligvis blitt brukt til å drive denne typen aktuatorer. Se ref24 for mer informasjon om aktuatorkontrollhensyn.
- Ta opp aktiveringen samtidig ved hjelp av en laserforskyvningsmåler eller et videokamera.
- Klem aktuatoren mellom elektrokjemisk ikke-reaktive kontakter (f.eks. gull).
- Cryo-fracturing for SEM imaging (PTFE-baserte aktuatorer)
MERK: Å bryte prøvene etter frysing i flytende nitrogen er den foretrukne tilnærmingen for å skaffe rene tverrsnitt under SEM-avbildning.
FORSIKTIG: Lukk aldri hetten på en flytende nitrogenbeholder tett. Trykkoppbyggingen og den påfølgende utgivelsen kan forårsake alvorlige skader. Videre koker flytende nitrogen ved −196 °C, så det må også tas hensyn til skader på grunn av de lave temperaturene.- Hell flytende nitrogen i en termisk isolerende beholder (f.eks. en engangsskumkopp)
- Først plasserer du prøven og senere metallverktøyene i flytende nitrogen og la prøven fryse i ca 1 min.
MERK: Kjøling av metallverktøy (f.eks. en skalpell eller pinsett) anbefales å forhindre mulig delaminering på grunn av temperaturforskjeller. Verktøy trenger imidlertid kortere kjøletider enn polymerkompositten takket være bedre varmeledningsevne av metaller. Videre kan for dypt avkjølte metallverktøy være umulig å håndtere. - Ta tak i den frosne prøven med to sett med avkjølte pinsett og bryt den.
- Kryo-fracturing for SEM imaging (tekstil-forsterkede aktuatorer).
MERK: Tekstilforsterkede aktuatorer (spesielt hvis glassfiber brukes) kan ikke bryte selv i frossen tilstand. Rene tverrsnitt kan oppnås ved å kutte ved hjelp av et avkjølt blad.- Frys aktuatoren og en skalpell i flytende nitrogen (se Merknad i trinn 4.4.2).
- Plasser den frosne prøven på en non-stick skjæreflate (f.eks. en blokk med PTFE) og hakk aktuatormaterialet ved hjelp av den avkjølte skalpellen.
Representative Results
Det primære endepunktet for å skille mellom et vellykket og mislykket eksperiment er materialets respons på elektriske signaler etter å ha blitt kontaktet til en strømforsyning. I elektroteknikk er kobber et velkjent materiale for kontaktproduksjon. Kobber er imidlertid også elektrokjemisk aktiv og derfor ikke egnet for å få kontakt med et ionisk system introdusert her. Bruk av kobberkontakter kan forårsake kortslutninger på grunn av dendrittdannelse gjennom komposittet. Videre, i tilfelle av materiell karakterisering, er det umulig å skille mellom strømmer (og aktivering) som stammer fra det elektroaktive materialet, og som stammer fra den elektrokjemiske aktiviteten til kobber29. Vi har tidligere vist at aktivering – selv om det ikke er pålitelig – uten ekstra aktivt materiale (dvs. uten karbonbaserte eller ledende polymerelektroder) er mulig i tilfelle våte ionomermembraner (f.eks. Nafion) og bare kobberterminaler29. Derfor har alle eksperimenter med det aktive materialet her blitt utført ved hjelp av inerte gullkontakter bare.
Elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) er en ikke-destruktiv metode for karakterisering og feilsøking av kapasitiv aktuatormateriale før bruk. Impedansspektra i figur 4C og 4D ble fanget ved hjelp av en potentiostat/galvanostat/FRA i to-elektrodekonfigurasjon. Prøven (20 mm x 4 mm x 150 μm) ble plassert mellom gullkontakter, inngangssignalamplituden under impedansmålingen ble satt til 5 mVRMS og frekvenser fra 200 kHz til 0,01 Hz ble skannet. Figur 4C og 4D viser det typiske impedansspektret fra aktuatorer med høy (~ 300 Ω cm2) eller med lav (~ 5 Ω cm2) intern motstand. Spektret ble registrert ved hjelp av en prøve med den tørre PTFE membranen og en annen prøve med henholdsvis gjennomvåt membran. Høyere ionisk ledningsevne gjennom materialet har en tendens til å tilsvare raskere aktuatorer og muligens også mer forskyvning ved samme aktiveringsfrekvens (se figur 4B), hvis alle andre parametere (f.eks. mekaniske parametere) holdes uendret og materialet generelt er aktivt.
Den ikke-destruktive naturen til EIS er spesielt gunstig for påvisning av kortslutninger i komposittet. Ved aktuatorer som er utarbeidet etter gjeldende protokoll, er kortslutninger oftest forårsaket av nåværende samleravfall på aktuatorens sider (se skjæreinstruksjoner i trinn 4.1.1) eller sjeldnere av en defekt membran (f.eks. når den ikke dekker alle pinholes i den tekstilforsterkede membranen som instruert i avsnitt 1.5). En motstander (i dette tilfellet en kortslutning) ville bli presentert som en prikk på Nyquist-plottet til et EIS-eksperiment. Å observere slik respons er en viss indikator på et defekt utvalg (se figur 4C og 4D for referansespektra av funksjonelle kapasitive aktuatorer). Kortsluttete prøver vil vanligvis ikke aktivere. Videre ville disse oftest bli gjort permanent ubrukelig ei på grunn av resistiv oppvarming og den resulterende smeltingen av komposittet når de prøvde å aktivere.
I sin funksjonelle form er dette materialet en tolags kondensator som viser bøyebevegelse som svar på lading og utlading av det doble laget takket være spesielt skreddersydde elektrolytter som brukes i fabrikasjonen. Syklisk voltammetri (CV) er en mye brukt teknikk i elektrokjemi for å studere forskjellige systemer. Under et CV-eksperiment er potensialet til arbeidselektroden (i dette tilfellet en av aktuatorens elektroder) variert i forhold til en motelektrode (her den andre elektroden til aktuatoren) med konstant hastighet (f.eks. 800 mV /s mellom ±2 V) og den nåværende responsen fra systemet registreres ved hjelp av en potensiostat. En typisk nåværende respons fra kapasitiv laminat er presentert i figur 4E. Den nåværende responsen av prøven med gjennomvåt PTFE membran (i mørk grå i 4E) ligner på en ideell kondensator: strømmen er ikke avhengig av elektrodepotensialet og ved reversering av potensialet, endres gjeldende retning (og derfor tegnet) (nesten) umiddelbart, noe som resulterer i et (nesten) rektangulært voltammogram. Den nåværende responsen av prøven med en opprinnelig tørr membran (i rosa i 4E) viser mindre ideell kondensatoratferd med denne skannehastigheten, sannsynligvis på grunn av høy intern motstand av materialet (som også dokumentert av EIS i figur 4C). Likevel viser begge prøvene den kapasitive naturen til komposittet. På den annen side viser lysegrå linjer i figur 4E mulig oppførsel fra defekte prøver (f.eks. kortsluttet) som ville følge Ohms lov nøye.
Ytelsen til ulike funksjonelle aktuatorer er presentert i figur 4A og figur 4B. Figur 4A viser øyeblikksbilder fra videoen der en termoformet aktuator med 5 fingre griper, holder og frigjør et tilfeldig formet objekt som svar på spenningstrinn. Enklere geometrier brukes vanligvis til materialkarakteriseringsformål. Figur 4B fremhever for eksempel de tørre og gjennomvåte PTFE-membranaktuatorenes maksimale bøyevinkel28,,30 som svar på trekantede spenningssignaler mellom ±2 V. For å karakterisere forskjellige aktuatormaterialer ble prøver (4 mm x 20 mm x 150 μm) plassert mellom gullklemmer i cantilever-posisjonen (slik at 18 mm fri lengde for aktivering) og bøyevinkelen ble tatt opp ved hjelp av et videokamera. Alternativt har bevegelsen av et enkelt punkt langs aktuatoren (f.eks. 5 mm fra kontaktene) vanligvis overvåkes i tide og brukes i belastningsforskjellsberegninger31,,32. Videobehandling, selv om det er mer komplisert, gir mer informasjon om hele bøyeprofilen til prøven og gjør det også mulig å analysere ytelsen senere, hvis et slikt behov skulle oppstå. 0,1 Hz punktet i figur 4B tilsvarer nøyaktig samme signal som brukes i syklisk voltammetri eksperimenter av figur 4E, både når det gjelder aktiveringspenning samt aktiveringfrekvens. Ved hjelp av det samme signalet for karakterisering og aktivering gjør det for eksempel mulig for oss å gjøre konklusjoner om materialets kapasitive natur og om stabiliteten og mangelen på elektrokjemiske reaksjoner under aktivering.
Elektrokjemiske metoder (EIS, CV), visualisering av aktuatorstrukturen i (vanligvis) mikrometernivå (SEM) og forskyvningkarakterisering er de vanligste metodene for å karakterisere ioniske aktuatorer og evaluere suksessen til fabrikasjonsprosessen. Egendefinerte eksperimenter for å evaluere aktuatorens ytelse i et mer spesifikt program utvikles imidlertid ofte for å evaluere programspesifikk ytelse (f.eks. muligheten til å bære en last).
Figur 3: Bildebehandling. Skanning elektron mikrografer som viser svært porøs PTFE membran (A) og et tverrsnitt av en aktuator laget ved hjelp av samme membran som viser ingen delamination (C). SEM mikrograf som viser et tverrsnitt av en tekstilforsterket aktuator (D) og et optisk fotografi av den tilsvarende silkeforsterkningen (B). Prøver for SEM tverrsnitt ble først kryo-brukket ved hjelp av flytende nitrogen, montert på en metallprøveholder og deretter sputtered med 5 nm gull for bedre definisjon ved hjelp av en sputter coater. Et bordplateskanningelektronmikroskop ble brukt til avbildning ved 15 keV akselerasjonsspenning. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Representative resultater fra aktuatoren. (A) Spenningstrinn og tilsvarende bilder av femarmet griperen som overholder et objekt med tilfeldig form (aktuator uten kontakter 21 mg; polystyrenskumbelastning 17,8 mg); (B) total bøyevinkel på 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE-baserte aktuatorer klemt mellom gullkontakter (18 mm fri lengde) som svar på et trekantet aktiveringssignal (±2 V) ved forskjellige aktiveringsfrekvenser (n=3, feilstenger representerer en standardavvik av gjennomsnittet); (C og D) typisk elektrokjemisk impedansspektra av elektromekanisk aktive kapasitivlaminater (5 mVRMS signal amplitude); (E) typisk syklisk voltammetri av kapasitive laminater (trekantet aktuasjonssignal ved hjelp av 800 mV / s skannehastighet som tilsvarer 0,1 Hz punktene i B). Grå linjer på sykliske voltammograms er for sammenligning og viser respons fra en potensiell feil aktuator (i hovedsak en motstander) som ville følge Ohms lov. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Spin-tørking under membranforberedelse. (A) skjemaer av oppsettet (B) bilde av oppsettet med en ramme med forsterkning festet. Under sentrifuging retter sentrifugalkraften gjenværende løsningsmiddel i membranlaget mot kanten av rammen. Dette kan være gunstig for å akselerere tørkeprosessen. Men i tilfelle helt våte membraner, kan dette føre til tap av aktivt materiale (polymer og ionisk væske) og bør derfor unngås. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Vi presenterte en enkel, rask, repeterbar og allsidig fabrikasjonsmetode for ionisk elektromekanisk aktiv komposittforberedelse for ulike aktuatorapplikasjoner, og med mindre modifikasjoner også for energilagring, høstingav 33 eller sensing34 applikasjoner. Den nåværende metoden fokuserer på membraner med en integrert passiv og kjemisk inert komponent (f.eks. et tekstilforsterket polymernettverk eller en svært porøs Teflonmembran, se også Figur 3) fordi slike membraner betydelig forenkler aktuatorens forberedelsesprosess også i stor skala. Videre har de resulterende membranene en lavere risiko for hevelse og knekking på grunn av løsemidler (eller elektrolytt) i elektrodesuspensjonen eller kortslutningshotspotdannelse sammenlignet med mange andre vanlige aktuatorfabrikasjonsmetoder og materialer.
De kritiske trinnene i kapasitiv aktuatorlaminatpreparatet er membranpreparatet, elektrodefabrikasjon, strømsamlervedlegg, skjæring og kontakt (figur 2). Hver av disse trinnene gir rom for tilpasning og ytelsesoptimalisering, men også for feil. I den følgende delen vil vi diskutere de gunstige modifikasjoner og feilsøkingstrategier for denne fabrikasjonsmetoden nærmere. En høy ytelse kompositt resultater fra samspillet mellom flere viktige aspekter som må holdes i tankene: tilstrekkelig elektronisk ledningsevne langs elektroden (legg gull strøm samler til karbonelektroder); tilstrekkelig ionisk ledningsevne gjennom membranen (bruk en tynn porøs membran og tilstrekkelig mengde elektrolytt med lav viskositet, redusere risikoen for ugunstige interaksjoner mellom membranen og elektrolytten ved hjelp av et inert polymernettverk); høy overflateareal av elektroden (velg en passende karbontype); skreddersydde elektrolytter som resulterer i asymmetrisk hevelse/sammentrekning av elektrodene (velg en passende elektrolytt); mekaniske parametere (Youngs moduli av komponentene). Disse hovedaspektene ved en karbonbasert aktuator med høy ytelse er også fremhevet på figur 1B.
En høyytelsesmembran er den sentrale delen av denne kompositten. Den har to oppgaver: forhindre elektronledningsevne (kortslutninger) mellom elektrodene samtidig som høy ionisk ledningsevne. Modifikasjoner av membranen kan tjene flere formål, for eksempel verktøyintegrasjon som introdusert av Must et al.24 eller tillegg av nye egenskaper (f.eks. biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet eller forskjellige mekaniske egenskaper). Den nåværende fabrikasjonsmetoden kan endres for å bruke andre polymerer og elektrolytter i membranen til å introdusere nye egenskaper til det aktive laminatet. Som løsningsmiddelvalgstrategien som ble introdusert her for de tekstilforsterkede aktuatorene, er det tilrådelig å velge dårligere løsemidler for den påfølgende elektrodefabrikasjonen sammenlignet med membranpreparatet. Dette sikrer at membranen forblir funksjonell og intakt også etter tilsetning av elektroder.
Aktiveringsytelsen til den endelige kompositten påvirkes av det valgte elektrodematerialet (karbon), elektrolytten og muligens kompatibiliteten med hverandre. Denne protokollen introduserer fabrikasjon av karbonbaserte kapasittive laminater ved hjelp av boravkarbid avledet karbon og 1-etyl-3-metylimidazolium trifluorometonat ([EMIM][OTf]) ionisk væske. Den samme protokollen kan imidlertid tilpasses andre karbonmaterialer med høy spesifikk overflateareal, for eksempel karbid-avledede karboner fra andre kilder (f.eks. TiC35,SiC eller Mo2C36), karbonnanorør8,37, karbonaerogel38 eller grafen39, og andre, som også gjennomgått nylig40. Videre kan også andre elektrolytter brukes i aktuatorpreparatet. Å skaffe en funksjonell kompositt er ikke begrenset til karbon- og ioniske væsketyper som presenteres i denne protokollen. Karbonpartikkelstørrelsen, deres mulige agglomerasjon i elektrodesuspensjonen og fjæringsviskositeten er mer avgjørende parametere for spraybeleggprosessen.
Denne metoden muliggjør produksjon av elektromekanisk aktivt laminatmateriale med reproduserbare egenskaper i store mengder. Miniatyrisering av aktuatorer laget av dette materialet utføres hovedsakelig ved hjelp av høypresisjonsskjæring (f.eks. figur 3C). Alternative metoder for å forberede fine strukturer, for eksempel maskering, og mønster er mulig under spraybelegg41. Videre kan millimeterskalastrukturer også mønstres i det påfølgende gullstrømsamlerfestetrinnet. Men i submillimeterskala kan dette bli ganske vanskelig. Andre typer aktuatorer eller karbonbasert aktuator uten gullstrømsamlere kan være lettere å forberede, hvis de mønsterbare funksjonene må være i mikrometerskalaen.
Iboende myke aktuatorer som reagerer på elektriske stimuli har mange fordeler takket være deres myke og kompatible natur, stille drift og lavt nødvendige spenningsnivåer. Gjeldende protokoll viser hvordan du produserer slikt materiale i større mengder og med høy batch-til-batch og in-batch repeterbarhet uten å gå på akkord med aktiveringsytelsen. Modifikasjoner av den nåværende metoden for å innlemme mer bio-vennlige og muligens også biologisk nedbrytbare komponenter som ville muliggjøre drift nær eller inne levende organismer i tillegg til vellykkede totale innkapsling tilnærminger, og integrering av det introduserte aktive materialet i myk robot eller biomedisinsk utstyr er tenkt for fremtiden.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gjerne takke Ron Hovenkamp og Marcel Mulder fra Philips Research for nyttige diskusjoner. Dette arbeidet ble delvis støttet av institusjonell forskningsfinansiering IUT (IUT 20-24) i det estiske kunnskaps- og forskningsdepartementet, av det estiske forskningsrådet (PUT1696), av European Regional Development Fund, av programmet Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), av EUs Horizon 2020 forsknings- og innovasjonsprogram under Marie Skłodowska-Curie tilskuddsavtale No 793377 (BIOACT), og etter prosjekt IMPACT-MII , et EIT Health innovasjonsprosjekt. EIT Health støttes av EIT, et organ i EU.
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).
