Разработка актуаторов на основе полимерного гидрогеля с быстрым откликом
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЭЛЕКТРОАКТИВНЫМ ПОЛИМЕРАМ И АКТУАТОРАМ 7
1.1 Электроактивные материалы 7
1.2 Ионные полимерные гели 9
1.2.1. Методы сшивания ионогелей 10
1.2.2 Гидрогели и актуаторы на основе гидрогелей 12
1.2.3 Неводные ионные полимерные гели 17
1.3 Механизм работы актуаторов на основе гидрогелей при подаче
электрического тока 19
2 МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА И АКТУАТОРОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕЛЕЙ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА 23
2.1 Материалы 23
2.1.1 Материалы для изготовления гидрогелей 23
2.1.2 Материалы для актуаторов 23
2.1.3. Лабораторное оборудование 24
2.2 Методы 24
2.2.1 Изготовление гидрогелей 24
2.2.2 Изготовление актуаторов 27
2.2.3 Измерение электрического сопротивления актуаторов 29
2.2.4 Испытание актуаторов 29
2.2.5 Проведение испытаний на набухание гидрогеля 31
2.2.6 Проведение испытаний на степень сшивки в гидрогелях 32
3 ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ 34
3.1. Механизм работы гидрогелевых актуаторов при подаче переменного электрического тока 34
3.2 Результаты измерения электрического сопротивления актуаторов 36
3.3 Исследование деформации актуаторов и времени активации 37
3.4 Влияние использования переменного напряжения на время активации актуаторов 41
3.5 Оценка степени набухания гидрогелей ПВС 44
3.6 Оценка влияния степени сшивки на свойства гидрогеля 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
Список использованных сокращений 53
Список использованной литературы 54
Приложение А 61
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЭЛЕКТРОАКТИВНЫМ ПОЛИМЕРАМ И АКТУАТОРАМ 7
1.1 Электроактивные материалы 7
1.2 Ионные полимерные гели 9
1.2.1. Методы сшивания ионогелей 10
1.2.2 Гидрогели и актуаторы на основе гидрогелей 12
1.2.3 Неводные ионные полимерные гели 17
1.3 Механизм работы актуаторов на основе гидрогелей при подаче
электрического тока 19
2 МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА И АКТУАТОРОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕЛЕЙ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА 23
2.1 Материалы 23
2.1.1 Материалы для изготовления гидрогелей 23
2.1.2 Материалы для актуаторов 23
2.1.3. Лабораторное оборудование 24
2.2 Методы 24
2.2.1 Изготовление гидрогелей 24
2.2.2 Изготовление актуаторов 27
2.2.3 Измерение электрического сопротивления актуаторов 29
2.2.4 Испытание актуаторов 29
2.2.5 Проведение испытаний на набухание гидрогеля 31
2.2.6 Проведение испытаний на степень сшивки в гидрогелях 32
3 ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ 34
3.1. Механизм работы гидрогелевых актуаторов при подаче переменного электрического тока 34
3.2 Результаты измерения электрического сопротивления актуаторов 36
3.3 Исследование деформации актуаторов и времени активации 37
3.4 Влияние использования переменного напряжения на время активации актуаторов 41
3.5 Оценка степени набухания гидрогелей ПВС 44
3.6 Оценка влияния степени сшивки на свойства гидрогеля 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
Список использованных сокращений 53
Список использованной литературы 54
Приложение А 61
В последние десятилетия стремительно возрос интерес к материалам способным реагировать на различные внешние стимулы, например изменение температуры, рН, влажности, нахождение образца под действием ультрафиолетового света, а также введение их в электрическое или магнитное поля, что изображено на рисунке 1 [1]. При воздействии таких стимулом материалы изменяют механические и оптические свойства.
На основе различных видов чувствительных материалов изготавливаются различные термо-, свето- или рН-чувствительные актуаторы. Одним из самых исследуемых материалов для создания актуаторов являются электроактивные полимеры (ЭАП), на основе которых создаются образцы различных форм и для различных целей использования. Одним из видов ЭАП являются ионные полимерные гели, например гидрогели. На основе гидрогелей создается множество актуаторов, которые способны реагировать на поданный к ним электрический ток. Популярным методом активирования таких образцов является введение актуаторов в область действия постоянного тока. Такой способ активации является действительно эффективным, но в то же время имеются недостатки использования такого метода активирования, например, необходимость
поддержания постоянной влажности образца, а также медленное время активации, которое составляет до 30 минут. Соответственно, приведенные выше недостатки требуют решения для того, чтобы использование актуаторов было возможно в различных областях науки, техники и медицины.
Объект исследования - актуаторы на основе полимерного гидрогеля.
Предмет исследования - механизм активации гидрогелевых актуаторов под действием переменного электрического напряжения.
Методы исследования:
1. Экспериментальные методы: Изготовление гидрогелей на основе поливинилового спирта и изучение свойств гидрогелей с помощью проведения испытаний на степени набухания и сшивки; изготовление и испытания актуаторов при переменном напряжении.
2. Аналитические методы: расчёт степеней набухания и сшивки гидрогелей; расчет значений деформации и времени активации актуаторов, статистическая обработка данных.
3. Сравнительный анализ: сравнение с существующими актуаторами, активируемыми постоянным током.
Актуальность исследования заключается в решении ряда проблем, возникающих при использовании постоянного напряжения, поэтому был предложен альтернативный способ приведения в действие актуаторов - с помощью переменного напряжения. При использовании переменного напряжения возможно улучшить работу актуаторов, а именно уменьшить время активации и увеличить скорость работы.
Цель: разработка и исследование актуаторов на основе полимерного гидрогеля поливинилового спирта (ПВС), способных быстро реагировать на подаваемое переменное напряжение.
Задачи:
1. Разработать метод активации актуаторов на основе гидрогеля ПВС за счет переменного тока.
2. Изготовить гидрогель и актуаторы на основе данного гидрогеля.
3. Охарактеризовать гидрогели с помощью проведения испытаний на степень набухания и степень сшивки, охарактеризовать работу актуаторов при проведении испытаний на деформацию сжатие/растяжение и время активации.
На основе различных видов чувствительных материалов изготавливаются различные термо-, свето- или рН-чувствительные актуаторы. Одним из самых исследуемых материалов для создания актуаторов являются электроактивные полимеры (ЭАП), на основе которых создаются образцы различных форм и для различных целей использования. Одним из видов ЭАП являются ионные полимерные гели, например гидрогели. На основе гидрогелей создается множество актуаторов, которые способны реагировать на поданный к ним электрический ток. Популярным методом активирования таких образцов является введение актуаторов в область действия постоянного тока. Такой способ активации является действительно эффективным, но в то же время имеются недостатки использования такого метода активирования, например, необходимость
поддержания постоянной влажности образца, а также медленное время активации, которое составляет до 30 минут. Соответственно, приведенные выше недостатки требуют решения для того, чтобы использование актуаторов было возможно в различных областях науки, техники и медицины.
Объект исследования - актуаторы на основе полимерного гидрогеля.
Предмет исследования - механизм активации гидрогелевых актуаторов под действием переменного электрического напряжения.
Методы исследования:
1. Экспериментальные методы: Изготовление гидрогелей на основе поливинилового спирта и изучение свойств гидрогелей с помощью проведения испытаний на степени набухания и сшивки; изготовление и испытания актуаторов при переменном напряжении.
2. Аналитические методы: расчёт степеней набухания и сшивки гидрогелей; расчет значений деформации и времени активации актуаторов, статистическая обработка данных.
3. Сравнительный анализ: сравнение с существующими актуаторами, активируемыми постоянным током.
Актуальность исследования заключается в решении ряда проблем, возникающих при использовании постоянного напряжения, поэтому был предложен альтернативный способ приведения в действие актуаторов - с помощью переменного напряжения. При использовании переменного напряжения возможно улучшить работу актуаторов, а именно уменьшить время активации и увеличить скорость работы.
Цель: разработка и исследование актуаторов на основе полимерного гидрогеля поливинилового спирта (ПВС), способных быстро реагировать на подаваемое переменное напряжение.
Задачи:
1. Разработать метод активации актуаторов на основе гидрогеля ПВС за счет переменного тока.
2. Изготовить гидрогель и актуаторы на основе данного гидрогеля.
3. Охарактеризовать гидрогели с помощью проведения испытаний на степень набухания и степень сшивки, охарактеризовать работу актуаторов при проведении испытаний на деформацию сжатие/растяжение и время активации.
Проведенное исследование было направлено на разработку нового метода активации линейных гидрогелевых актуаторов на основе поливинилового спирта при использовании переменного напряжения. Новый метод позволяет уменьшить время, за которое актуаторы начинают деформироваться и приходить в движение. Также исследование включало в себя разработку актуаторов на основе гидрогеля ПВС, на которых проводились испытания.
Испытание на набухание гидрогелей на основе поливинилового спирта с различными концентрациями ПВС показало, что наиболее высокие значения деформации и наименьшее время активации способны продемонстрировать актуаторы, в которых находится наиболее стабильный гидрогель, то есть имеющий большую степень набухания, то есть гидрогели П5Б2, П7Б2 и П10Б2, которые имеют более высокую устойчивость к происходящему разрушению связей при погружении в дистиллированную воду.
Испытание гидрогелей на основе поливинилового спирта на степень сшивки продемонстрировало, что добавление сшивающего агента в гидрогель ПВС делает материал наиболее устойчивым к воздействию водной среды, но слишком высокая концентрация сшивающего агента негативно влияет на испытания актуаторов на основе изготовленных образцов гидрогелей, так как гидрогель с большим количеством тетрабората натрия становится более хрупким и актуаторы на основе гидрогелей с высоким значением степени сшивки являются менее долговечными в использовании.
Испытание актуаторов на деформацию показало, что лучшие результаты демонстрируют актуаторы с большим содержанием ПВС, гидрогели П7Б2 и П10Б2 при высоком переменном напряжении 200 В и высокой частоте 500 Гц. Лучшие результаты деформации достигаются актуаторами на основе гидрогелей с большей концентрацией поливинилового спирта, как говорилось ранее, образцы П7Б2 и П10Б2
показали самые высокие результаты 21,50±0,85 % и 61,89±4,85 %
соответственно. Это связано с тем, что данные гидрогели являются наиболее стабильными за счет большего количества сшивающего агента, так как образуется больше динамических связей, делающих гидрогель менее уязвимым при воздействии переменного напряжения или растворителей.
Испытание актуаторов на время активации подтвердило теорию о том, что использование переменного напряжения положительно влияет на время, за которое актуаторы начинают менять свою форму и приходить в линейное движение. В отличие от актуаторов активируемых с помощью постоянного напряжения, время активации которых считается в минутах, актуаторы активируемые переменным напряжением активировались в диапазоне секунд. Лучшие значения времени активации при упомянутых ранее значениях переменного напряжения и частоты показали актуаторы на основе гидрогелей П5Б2 и П10Б2 продемонстрировав значения 2,80±0,15 с и 2,15±0,15 с соответственно.
Подводя итог проведенного исследования, можно сказать, что использование переменного напряжения в качестве метода активирования линейных гидрогелевых актуаторов имеет большой потенциал, но также имеется и недостаток такого метода, который представляет высокая величина переменного напряжения.
Испытание на набухание гидрогелей на основе поливинилового спирта с различными концентрациями ПВС показало, что наиболее высокие значения деформации и наименьшее время активации способны продемонстрировать актуаторы, в которых находится наиболее стабильный гидрогель, то есть имеющий большую степень набухания, то есть гидрогели П5Б2, П7Б2 и П10Б2, которые имеют более высокую устойчивость к происходящему разрушению связей при погружении в дистиллированную воду.
Испытание гидрогелей на основе поливинилового спирта на степень сшивки продемонстрировало, что добавление сшивающего агента в гидрогель ПВС делает материал наиболее устойчивым к воздействию водной среды, но слишком высокая концентрация сшивающего агента негативно влияет на испытания актуаторов на основе изготовленных образцов гидрогелей, так как гидрогель с большим количеством тетрабората натрия становится более хрупким и актуаторы на основе гидрогелей с высоким значением степени сшивки являются менее долговечными в использовании.
Испытание актуаторов на деформацию показало, что лучшие результаты демонстрируют актуаторы с большим содержанием ПВС, гидрогели П7Б2 и П10Б2 при высоком переменном напряжении 200 В и высокой частоте 500 Гц. Лучшие результаты деформации достигаются актуаторами на основе гидрогелей с большей концентрацией поливинилового спирта, как говорилось ранее, образцы П7Б2 и П10Б2
показали самые высокие результаты 21,50±0,85 % и 61,89±4,85 %
соответственно. Это связано с тем, что данные гидрогели являются наиболее стабильными за счет большего количества сшивающего агента, так как образуется больше динамических связей, делающих гидрогель менее уязвимым при воздействии переменного напряжения или растворителей.
Испытание актуаторов на время активации подтвердило теорию о том, что использование переменного напряжения положительно влияет на время, за которое актуаторы начинают менять свою форму и приходить в линейное движение. В отличие от актуаторов активируемых с помощью постоянного напряжения, время активации которых считается в минутах, актуаторы активируемые переменным напряжением активировались в диапазоне секунд. Лучшие значения времени активации при упомянутых ранее значениях переменного напряжения и частоты показали актуаторы на основе гидрогелей П5Б2 и П10Б2 продемонстрировав значения 2,80±0,15 с и 2,15±0,15 с соответственно.
Подводя итог проведенного исследования, можно сказать, что использование переменного напряжения в качестве метода активирования линейных гидрогелевых актуаторов имеет большой потенциал, но также имеется и недостаток такого метода, который представляет высокая величина переменного напряжения.
