浙江大學羅英武《Mater.Horiz.》,柔性網絡轉變為半柔性網絡?一步簡單的熱機械訓練法即可搞定!

彈性體的拉伸曲線形狀主要由網路股線的剛度决定,半柔性網絡鏈的彈性體有望擺脫EMI以實現穩定的大驅動應變。雖然化學互穿網絡和瓶刷結構能够製造半柔性網絡的彈性體,從而避免EMI以實現大驅動應變,但這些方法仍然帶來了諸如相對較高的、機械強度弱等問題。將彈性體中的柔性網絡轉變為半柔性網絡仍然是一項巨大的挑戰。

電活性介電彈性體(DE)致動器在電場刺激下具有快速且可定址的響應,是領先的人造肌肉科技之一。具有類似生物肌肉的J形拉伸曲線被認為是軟彈性體從機電不穩定性(EMI)中倖存下來的必要特性。彈性體的拉伸曲線形狀主要由網路股線的剛度决定,半柔性網絡鏈的彈性體有望擺脫EMI以實現穩定的大驅動應變。最近,研究人員設計出具有半柔性網路線的瓶刷彈性體,通過引入密集的長側鏈,彈性體表現出非常低的模量。雖然化學互穿網絡和瓶刷結構能够製造半柔性網絡的彈性體,從而避免EMI以實現大驅動應變,但這些方法仍然帶來了諸如相對較高的(Tg)、機械強度弱等問題。將彈性體中的柔性網絡轉變為半柔性網絡仍然是一項巨大的挑戰。

為應對上述挑戰,來自浙江大學的羅英武等人通過一種簡便的熱機械訓練方法自我調整地重建軟三嵌段共聚物彈性體的網絡,無需額外的化學修飾和添加劑即可將柔性網絡鏈轉化為半柔性網絡,從而避免機電不穩定性,顯著提高電驅動效能。與靜態化學交聯網絡不同,微相分離納米域的物理交聯點可以在三嵌段共聚物彈性體中熱啟動和機械啟動。經過訓練的彈性體在不新增Tg或犧牲機械強度的情况下完全消除機電不穩定性,從而能够製造具有大穩定致動應變、高能量密度和寬工作溫度範圍的獨立式DE致動器。相關工作以題為“Adaptively Reconstructing Network of Soft Elastomers to Increase Strand Rigidity: towards Free-Standing Electro-Actuation Strain over 100%”發表在《Materials Horizons》上。

【軟三嵌段共聚物彈性體的熱機械訓練】

作者使用一種典型的具有對稱結構的軟質三嵌段共聚物彈性體,聚(苯乙烯-b-(2-乙基己基丙烯酸酯)-b-苯乙烯)(SEHAS)作為模型彈性體進行實驗。聚苯乙烯(PS)鏈自組裝形成PS納米域(直徑約20nm)作為物理交聯點。作者首先將SEHAS薄膜在室溫下等雙軸拉伸至給定的訓練拉伸比,在接近PS的Tg溫度下,保持一段時間,隨後將熱處理過的薄膜冷卻至室溫,釋放以進行自由收縮,獲得獨立的訓練彈性體薄膜。

作者認為SEHAS經歷了PS納米域的自我調整重建,以在熱機械訓練過程中響應等雙軸拉伸力原位生成第二個網絡。此外,部分聚苯乙烯鏈從其原始納米域中拉出並重新組裝形成一些新的PS納米域,以構建鬆弛的聚(2-乙基己基丙烯酸酯)(PEHA)鏈的第二個網絡,而其他PEHA鏈保持拉伸狀態。在室溫下自由收縮期間,主網絡的拉伸線會收縮,壓縮第二個網絡以產生平衡,最後,主網絡的股線將部分保持張力,從而變得半柔性。作者隨後還對其單軸拉伸機械效能進行了表徵。

圖1.軟三嵌段共聚物彈性體的熱機械訓練

圖2.訓練後彈性體的單軸拉伸效能

【訓練後SEHAS的電驅動效能】

作者比較了原始和訓練的SEHAS的電驅動行為。結果發現,原始的SEHAS在穩定的電壓上升過程中具有特徵性的EMI。相比之下,D/D0=2.0的訓練後SEHAS的電致變形隨著電壓上升而穩定新增,直到λa=2.66,這證明消除了EMI。經過訓練的D/D0=2.5的SEHAS在158.1V/μm的真實電場下具有307kJ·m-3的最大驅動應變,是原始SEHAS的17.3倍。此外,作者還計算出隔膜致動器(SEHAS,D/D0=2.0)的工作能量密度為18.3J·kg-1,是典型生物肌肉(8J·kg-1)的兩倍,與報導的最先進的DE人造肌肉(19.8J·kg-1)相當。有趣的是,由於如此高的工作能量密度,隔膜致動器可以輕鬆推動數百倍於自身重量的重物。

圖3.訓練後SEHAS的電驅動效能

【熱機械訓練SEHAS與其他高性能DEs相比的優勢】

對於大多數彈性體,由於EMI,它們的能量密度和驅動區域應變都非常低,但是,經過熱機械訓練的SEHAS彈性體是少數高性能DEs之一。與其他高性能DEs(化學交聯的聚丙烯酸酯IPN(VHB)和UV-DE)相比,經過熱機械訓練的SEHAS在較低的Tg和彈性模量方面具有優勢,有利於應用在低溫工作環境下,如深海軟機器人。同時,在需要高擊穿電壓和高最大驅動應變的場景中,例如需要高阻滯力和輸出能量的人造肌肉,熱機械訓練SEHAS具有誘人的前景。

圖4.熱機械訓練SEHAS與其他高性能Des的比較

【小結】

作者所提出的通用熱機械訓練方法可以自我調整地重建軟三嵌段共聚物彈性體中的網絡,將其柔性網絡鏈轉化為半柔性網絡。隔膜致動器的輸出能量密度為18.3J·kg-1,可以舉起數百倍於自身重量的重物,其輸出效能遠優於典型的生物肌肉。作為一種完全物理的方法,該方法不僅簡單,而且可以解决化學改性方法中經常出現的新增網絡剛度和提高Tg之間的困境。

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