​Matter最新研究:就这么简单,柔性聚合物拉一拉就变刚性致动器

制动器是指在外界化学、电磁、气/水压、温度、湿度、光照、pH值等刺激作用下产生机械应力或应变的装置,在软体(柔性制动器)和硬体(刚性制动器)机器人领域有着重要的应用潜力和研究价值。大多数聚合物基柔性致动器由于材料的低模量(<1 GPa)和高应变(>>1%)特性,目前主要应用在软体机器人领域,而很难用于硬体机器人的制备。硬体机器人所需的刚性致动器需要超高模量(>>1GPa)的基体材料,而现有的研究表明只有金属材料能够满足这一特性,但是密度较高的金属材料很难满足硬体机器人未来轻量化的发展趋势,同时由于材料的特性,现在金属材料刚性制动器的驱动力一般是电刺激。因此找到一种具有低密度和其它刺激作用(如光照)的材料来代替金属材料制备适用于硬体机器人的刚性致动器是目前该领域的重大难题!

基于此,荷兰埃因霍温理工大学Albertus P.H.J.Schenning教授课题组将具有光-热转换效应的偶氮苯衍生物加入到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体中进行高度拉伸(拉伸比DR=60),得到了具有低密度(975kg/m-3)、高机械强度(模量≈100GPa)以及在低应变条件下(<1%)对光具有快速(<1 s)响应性的类金属材料刚性致动器薄膜。研究结果表明利用短链PE改性后的偶氮苯衍生物(C78-OH-AZO和C78-AZO)在UHMWPE基体中有良好的分散性,经过高度拉伸之后复合薄膜结晶度大幅度增加,因此机械性能大幅度提升,满足了刚性致动器所需的强度和模量,同时微添加量(<0.22mol%)的偶氮苯衍生物在经过高度拉伸之后主要分散在非晶区相中,在受到外界光照之后,由于受到基体施加的构象约束,偶氮苯结构的反式顺式光异构化过程受到了限制,而顺式反式反异构化过程可以顺利进行释放出热量,这些热量传递到高度取向的UHMWPE链上引起了应力的增加。测试结果显示复合薄膜具有快速的光-机械响应能力(<1s),在405nm的LED光照和超低的应变(~0.06%)条件下,可以使含0.22mol%的C78-OH-AZO复合薄膜的光致应力增强达到60MPa,驱动效率超过6×104Pa/(kg m-3),并且在经过2600次循环之后其光驱动应力增强效果可以得到很好的保持,因而在轻量化硬体机器人领域所需的刚性致动器制备上具有重要的应用潜力。这项研究以题为“Fast, Light-Responsive, Metal-Like Polymer Actuators Generating High Stresses at Low Strain”的论文发在《Matter》期刊上(后附原文链接)。

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图1.(a)偶氮苯衍生物C78-OH-AZO和C78-AZO的结构和制备过程; (b)和(c)分别是含0.11 mol % C78-AZO和C78-OH-AZO的UHMWPE复合薄膜的线性二色性表征

 

作者研究了两种结构的偶氮苯分子(C78-OH-AZO和C78-AZO)对UHMWPE薄膜光驱动应力增强性能的影响,为了提高偶氮苯分子在非极性UHMWPE基体中的分散性,作者首先在偶氮苯分子两端接枝了短PE链[图1(a)]得到偶氮苯衍生物,将其与UHMWPE高温混溶之后成各向同性的膜,然后再在120℃条件下进行高度拉伸(DR=60)得到具有各向异性[图1(b)、(c)]、高结晶度和高强度的复合薄膜。

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图2.偶氮苯衍生物/UHMWPE复合薄膜在光照条件下的应力-松弛测试

 

作者对含不同结构的偶氮苯衍生物和在不同强度光照条件下的复合薄膜进行了应力-松弛机械性能测试,结果如图2所示。测试发现在应变小于1 %的条件下,复合薄膜显示出典型的线性粘弹性力学行为,因此作者在保持1%形变的条件下研究了光照对复合薄膜(含0.06 mol%偶氮苯衍生物)应力的影响。结果显示复合薄膜应力对光具有非常快速的响应性,在<1s的时间内弹性模量约为100GPa的薄膜应力增加了10~30MPa,并且随着光照的增强应力还可以得到进一步提升,显示出了优异的光致应力增强的特性。同时作者发现光致应力增强效果还可以随着偶氮苯衍生物在复合薄膜中添加量的增加而增加[图2(E)(F)]——在406nm的LED光照条件下,含0.22mol%的C78-OH-AZO复合薄膜光致应力增强最大可以超过60MPa。

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图3.(A)复合薄膜在光照射后的谱图变化,显示了偶氮苯顺反结构的变化;(B)线性旋转光照射下复合薄膜产生的振荡应力波;(C)含0.22 mol %的C78-OH-AZO复合薄膜光致应力增强循环测试

研究结果表明含偶氮苯结构的UHMWPE复合薄膜光致应力增强的特性来源于偶氮苯的光-热转换特性,偶氮苯在高度结晶的UHMWPE基体中受限促使了顺式结构向反式结构的转变,释放出的热量使得复合薄膜应力增强。由于复合薄膜具备高模量、对光快速响应以及光照下应力大幅度增强的特性,因此是制备刚性制动器的理想材料。测试结果表明,由该复合薄膜制备的刚性致动器在线性旋转光照射下可以产生稳定的振荡应力波,并在长时间测试中显示出优异的可循环性。

总结:这项研究采用加入顺反结构可变的偶氮苯结构分子(光照触发)和高度拉伸的加工方式制备了高强度、低密度、优异的光致应力增强和快速光响应特性的聚合物基刚性致动器,使传统的电驱动刚性制动器和光驱动柔性制动器的优点相结合,在未来的轻量化硬体机器人领域具有重要的应用潜力,同时也开拓了一种低密度刚性制动器材料的制备方法。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301144

 

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