制動(dòng)器是指在外界化學(xué)、電磁、氣/水壓、溫度、濕度、光照、pH值等刺激作用下產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的裝置,在軟體(柔性制動(dòng)器)和硬體(剛性制動(dòng)器)機(jī)器人領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力和研究價(jià)值。大多數(shù)聚合物基柔性致動(dòng)器由于材料的低模量(<1 GPa)和高應(yīng)變(>>1%)特性,目前主要應(yīng)用在軟體機(jī)器人領(lǐng)域,而很難用于硬體機(jī)器人的制備。硬體機(jī)器人所需的剛性致動(dòng)器需要超高模量(>>1GPa)的基體材料,而現(xiàn)有的研究表明只有金屬材料能夠滿足這一特性,但是密度較高的金屬材料很難滿足硬體機(jī)器人未來輕量化的發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)由于材料的特性,現(xiàn)在金屬材料剛性制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力一般是電刺激。因此找到一種具有低密度和其它刺激作用(如光照)的材料來代替金屬材料制備適用于硬體機(jī)器人的剛性致動(dòng)器是目前該領(lǐng)域的重大難題!

基于此,荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Albertus P.H.J.Schenning教授課題組將具有光-熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的偶氮苯衍生物加入到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基體中進(jìn)行高度拉伸(拉伸比DR=60),得到了具有低密度(975kg/m-3)、高機(jī)械強(qiáng)度(模量≈100GPa)以及在低應(yīng)變條件下(<1%)對(duì)光具有快速(<1 s)響應(yīng)性的類金屬材料剛性致動(dòng)器薄膜。研究結(jié)果表明利用短鏈PE改性后的偶氮苯衍生物(C78-OH-AZO和C78-AZO)在UHMWPE基體中有良好的分散性,經(jīng)過高度拉伸之后復(fù)合薄膜結(jié)晶度大幅度增加,因此機(jī)械性能大幅度提升,滿足了剛性致動(dòng)器所需的強(qiáng)度和模量,同時(shí)微添加量(<0.22mol%)的偶氮苯衍生物在經(jīng)過高度拉伸之后主要分散在非晶區(qū)相中,在受到外界光照之后,由于受到基體施加的構(gòu)象約束,偶氮苯結(jié)構(gòu)的反式順式光異構(gòu)化過程受到了限制,而順式反式反異構(gòu)化過程可以順利進(jìn)行釋放出熱量,這些熱量傳遞到高度取向的UHMWPE鏈上引起了應(yīng)力的增加。測(cè)試結(jié)果顯示復(fù)合薄膜具有快速的光-機(jī)械響應(yīng)能力(<1s),在405nm的LED光照和超低的應(yīng)變(~0.06%)條件下,可以使含0.22mol%的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜的光致應(yīng)力增強(qiáng)達(dá)到60MPa,驅(qū)動(dòng)效率超過6×104Pa/(kg m-3),并且在經(jīng)過2600次循環(huán)之后其光驅(qū)動(dòng)應(yīng)力增強(qiáng)效果可以得到很好的保持,因而在輕量化硬體機(jī)器人領(lǐng)域所需的剛性致動(dòng)器制備上具有重要的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究以題為“Fast, Light-Responsive, Metal-Like Polymer Actuators Generating High Stresses at Low Strain”的論文發(fā)在《Matter》期刊上(后附原文鏈接)。

?Matter最新研究:就這么簡單,柔性聚合物拉一拉就變剛性致動(dòng)器

 

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圖1.(a)偶氮苯衍生物C78-OH-AZO和C78-AZO的結(jié)構(gòu)和制備過程; (b)和(c)分別是含0.11 mol % C78-AZO和C78-OH-AZO的UHMWPE復(fù)合薄膜的線性二色性表征

 

作者研究了兩種結(jié)構(gòu)的偶氮苯分子(C78-OH-AZO和C78-AZO)對(duì)UHMWPE薄膜光驅(qū)動(dòng)應(yīng)力增強(qiáng)性能的影響,為了提高偶氮苯分子在非極性UHMWPE基體中的分散性,作者首先在偶氮苯分子兩端接枝了短PE鏈[圖1(a)]得到偶氮苯衍生物,將其與UHMWPE高溫混溶之后成各向同性的膜,然后再在120℃條件下進(jìn)行高度拉伸(DR=60)得到具有各向異性[圖1(b)、(c)]、高結(jié)晶度和高強(qiáng)度的復(fù)合薄膜。

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圖2.偶氮苯衍生物/UHMWPE復(fù)合薄膜在光照條件下的應(yīng)力-松弛測(cè)試

 

作者對(duì)含不同結(jié)構(gòu)的偶氮苯衍生物和在不同強(qiáng)度光照條件下的復(fù)合薄膜進(jìn)行了應(yīng)力-松弛機(jī)械性能測(cè)試,結(jié)果如圖2所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變小于1 %的條件下,復(fù)合薄膜顯示出典型的線性粘彈性力學(xué)行為,因此作者在保持1%形變的條件下研究了光照對(duì)復(fù)合薄膜(含0.06 mol%偶氮苯衍生物)應(yīng)力的影響。結(jié)果顯示復(fù)合薄膜應(yīng)力對(duì)光具有非??焖俚捻憫?yīng)性,在<1s的時(shí)間內(nèi)彈性模量約為100GPa的薄膜應(yīng)力增加了10~30MPa,并且隨著光照的增強(qiáng)應(yīng)力還可以得到進(jìn)一步提升,顯示出了優(yōu)異的光致應(yīng)力增強(qiáng)的特性。同時(shí)作者發(fā)現(xiàn)光致應(yīng)力增強(qiáng)效果還可以隨著偶氮苯衍生物在復(fù)合薄膜中添加量的增加而增加[圖2(E)(F)]——在406nm的LED光照條件下,含0.22mol%的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強(qiáng)最大可以超過60MPa。

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圖3.(A)復(fù)合薄膜在光照射后的譜圖變化,顯示了偶氮苯順反結(jié)構(gòu)的變化;(B)線性旋轉(zhuǎn)光照射下復(fù)合薄膜產(chǎn)生的振蕩應(yīng)力波;(C)含0.22 mol %的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強(qiáng)循環(huán)測(cè)試

研究結(jié)果表明含偶氮苯結(jié)構(gòu)的UHMWPE復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強(qiáng)的特性來源于偶氮苯的光-熱轉(zhuǎn)換特性,偶氮苯在高度結(jié)晶的UHMWPE基體中受限促使了順式結(jié)構(gòu)向反式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,釋放出的熱量使得復(fù)合薄膜應(yīng)力增強(qiáng)。由于復(fù)合薄膜具備高模量、對(duì)光快速響應(yīng)以及光照下應(yīng)力大幅度增強(qiáng)的特性,因此是制備剛性制動(dòng)器的理想材料。測(cè)試結(jié)果表明,由該復(fù)合薄膜制備的剛性致動(dòng)器在線性旋轉(zhuǎn)光照射下可以產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩應(yīng)力波,并在長時(shí)間測(cè)試中顯示出優(yōu)異的可循環(huán)性。

總結(jié):這項(xiàng)研究采用加入順反結(jié)構(gòu)可變的偶氮苯結(jié)構(gòu)分子(光照觸發(fā))和高度拉伸的加工方式制備了高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的光致應(yīng)力增強(qiáng)和快速光響應(yīng)特性的聚合物基剛性致動(dòng)器,使傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)剛性制動(dòng)器和光驅(qū)動(dòng)柔性制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,在未來的輕量化硬體機(jī)器人領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力,同時(shí)也開拓了一種低密度剛性制動(dòng)器材料的制備方法。

原文鏈接:

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

 

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