【材料】乙烯/醋酸乙烯酯共聚物巧妙变身自动执行器

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楼主 2018-06-19 02:25:12
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执行器是一种能做功或促使其他物体做功的功能性机械器件,在工业上具有重要用途。热响应性的执行器由于具有应用领域广泛、成本较低和操作方便等特点,成为当前的研究热点之一。热响应性执行器的研究多基于具有可逆形状记忆效应的半晶性聚合物,如PEVA、聚氨酯、聚己内脂及其共聚物等。这类聚合物往往具有较宽的熔融范围,通过交联和拉伸-定形处理,往往能在加热和冷却过程中表现出可逆的外形变化,即熔融引发的收缩和结晶引发的伸长,从而引发可逆形状记忆行为。上述性能的实现需保证加热温度低于聚合物的最高熔点,部分高熔点的晶区充当框架,框架间低熔点的晶区充当驱动区,正是驱动区域在框架束缚下的熔融与结晶使样品在原拉伸取向方向发生可逆的收缩与伸长行为。显然,这种可逆运动需要在不断的升温和降温操作下才能实现多循环往复的运动,且运动速度较慢、能耗较高。近日,加拿大Sherbrooke大学赵越教授课题组在对PEVA进行简单的交联和拉伸处理后,首次巧妙地在恒温热台和条状样品间建立了一个热能-机械能-热能反馈回路(图1),设计并实现了能自行走和连续上下运动的热响应性固体聚合物执行器,无需控制外部温度的升降。

图1. 自驱动原理(a)和运动前两个循环(b)及数百个循环之后(c)运动幅度的变化情况。


图1中的a图描述了自行运动的原理,即当样条置于恒温的钢板上时,由于沿厚度方向产生温度梯度,接触钢板的样品表面因熔融而引发表面收缩,使样品向背离热台的方向弯曲成弧状,并使中间部分离开钢板;一旦样品离开钢板接触到温度较低的空气,结晶得以进行并使样品沿原拉伸方向伸长,克服样品两端的摩擦力,使其再次平铺到钢板表面,从而建立了一个热能-机械能-热能反馈回路,然后进入下一个循环。经过半个小时、约500个循环的运动后,样条跳动的高度仍接近1.5 cm;运动一小时约1000个周期后,样品与钢板表面接触越来越疏松,从而停止运动。

图2. PEVA样条在恒温(75 ℃)的钢板表面自行走;样品两端粗糙度和摩擦力不同,使其向一端行走。


若样条两端与恒温基板之间摩擦力相同,样品在原地做弯曲-伸直运动;若控制两端与基板之间的摩擦力不同,则可以实现样条在恒温的钢板上像摩擦力小的一端自行走(图2)。利用样条的上下跳动,他们还可以实现热能向机械能的转化,模仿隔膜泵推动转轮转动做功(图3)。

图3. PEVA样条在恒温(75 ℃)的基板上做上下运动推动转轮转动。


这项工作具有两方面的意义:一方面,建立的热能-机械能-热能反馈回路可以扩展到其他基于相转变的热敏性执行器,如液晶聚合物;另一方面,展示了将热能转换成机械能(自行走和连续运动)的方法,为收集热能做功指明了新的方向。相关成果已发表在Chemical Science 上,文章的第一作者为Sherbrooke大学的博士研究生葛飞杰


该论文作者为:Feijie Ge, Yue Zhao

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

A new function for thermal phase transition-based polymer actuators: autonomous motion on a surface of constant temperature

Chem. Sci., 2017, 8, 6307, DOI: 10.1039/C7SC01792H


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