《AFM》丨南洋理工大學,堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人

軟機器人容易因動態環境中發生的物理損壞而過早失效。為了解决這個問題,新加坡南洋理工大學PooiSeeLee教授團隊報告了一種具有高韌性、室溫自愈性和强粘附性的彈性體,可以防止軟機器人損壞和恢復。這些堅固耐用的DEA具有高韌性、可拉伸性和自愈效率,對於延長軟體機器人、觸覺設備和可穿戴設備的使用壽命仍然極具吸引力。

摘要

軟機器人容易因動態環境中發生的物理損壞而過早失效。為了解决這個問題,新加坡南洋理工大學Pooi See Lee教授團隊報告了一種具有高韌性、室溫自愈性和强粘附性的彈性體,可以防止軟機器人損壞和恢復。通過使用脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)和羧基的分級氫鍵對聚氨酯進行功能化,可以獲得高韌性(74.85 MJ m-3)、拉伸强度(9.44 MPa)和應變(2340%)。

此外,室溫下溶劑輔助自修復能够在12小時內保持高韌性(41.74 MJ m-3)、拉伸强度(5.57 MPa)和應變(1865%)。該彈性體具有高介電常數(≈9),有利於其用作軟機器人的自修複介電彈性體致動器(DEA)。在機械和電自愈後分別顯示≈31.4%和≈19.3%的高面積應變,實現了效能最佳的自愈DEA。憑藉豐富的氫鍵,無需額外固化或加熱即可實現高粘合强度。具有驅動和粘合特性,實現了用於組裝堅固軟機器人的“粘貼”策略,允許軟機器人組件在嚴重損壞時輕鬆重新組裝或更換。這項研究突出了具有極端堅固性的軟機器人在不同操作條件下的潜力。相關論文以題為Rugged Soft Robots using Tough,Stretchable,and Self-Healable Adhesive Elastomers發表在《AdvancedFunctionalMaterials》上。

主圖

資料特性

圖1UPy-CPU的分子結構和資料表徵。a)UPy-CPU的化學結構。b)SAXS曲線分別顯示了CPU預聚物、UPy-CPU-1和UPy-CPU-2的一階干擾峰。c)超分子UPy-CPUs彈性體的紫外-可見透射光譜。d)CPU預聚物、UPy-CPU-0.1、UPy-CPU-1和UPy-CPU-的儲能模量(G')和損耗模量(G〃)的角頻率(ω)依賴性e)分層氫鍵(單、雙和四重)的示意圖。N-H/C=O氫鍵排列的各種形成導致犧牲鍵的形成,這在變形時有效地耗散能量。

機械和自愈特性

圖2UPy-CPU-2聚合物的機械效能。a)UPy-CPU-0.1、UPy-CPU-1和UPy-CPU-2的儲能模量(E')和損耗因數(tanδ)的代表性動態力學分析曲線,在氮氣氣氛下作為溫度的函數量測,加熱速率為3°C min-1,頻率為1 Hz。b)UPy-CPU在10 min-1時具有不同量UPy(OH)2的拉伸應力-應變曲線。c)UPy-CPU-2在不同應變率0.1、1和10 min-1(對應於1、10和100 mm min-1)下的拉伸應力-應變曲線,以說明犧牲氫鍵的動態性質。d)UPy-CPU對1000%、500%和250%的各種應變的迴圈應力-應變曲線,以評估耗散的能量。e)延遲2小時後的迴圈應力-應變曲線及其隨後的恢復週期,以研究UPy-CPU-2的自恢復能力。f)拉至1000%應變十個迴圈時的滯後損失和2小時恢復時間後另外十個迴圈的滯後損失。

圖3UPy-CPU-2聚合物的自我修復。a)溶劑在自愈過程中的作用示意圖。首先,薄膜被切成兩半,在單個本體鏈段內的聚合物鏈之間形成氫鍵。隨後,將薄膜放置在接觸處,並將溶劑添加到受損區域以允許氫鍵溶脹和解離。最後,在溶劑蒸發和薄膜癒合後發生氫鍵的重新形成。b)在環境條件下的癒合過程中引入IPA後,具有不同癒合時間的自愈合UPy-CPU樣品的拉伸應力-應變曲線。c)Ashby圖表,總結了在中等溫度(≤50°C)或室溫下,癒合薄膜的韌性與各種自愈合資料的癒合時間的關係。d)0.5、1、3、6和12小時(右)後表面損傷(左,0小時)和癒合膜的光學顯微鏡影像。切割深度:其厚度0.6 mm的20–35%,比例尺:50µm。用剃刀刀片切割薄膜以造成損壞,在損壞後立即將三滴IPA溶劑滴在破裂區域並置於環境溫度下。

黏附力

圖4UPy-CPU-2聚合物的粘合效能。a)搭接剪切試驗程式的示意圖。對於濕的UPy-CPU薄膜,將薄膜浸入IPA溶劑中10秒,然後放置在兩個搭接接頭之間。b)預聚物、幹和濕UPy-CPU-2薄膜搭接接頭的附著力位移曲線。插圖顯示了搭接接頭的各自粘合失效模式,左側是失效的預聚物搭接接頭,然後是濕和幹的UPy-CPU-2薄膜搭接接頭。c)濕膜粘附在基材上時被拉動的數碼照片,顯示了內聚和粘合模式之間的中間失效狀態。d)濕UPy-CPU-2薄膜緊密粘附在丁腈手套和由玻璃、金屬、塑膠、PTFE和紙組成的各種物體之間。e)粘附在鋼、PET、木材和玻璃基材上的幹濕UPy-CPU-2薄膜的搭接剪切强度。f)由濕UPy-CPU-2薄膜粘合的鋼搭接接頭可承受1 kg的重量,≈5000倍的薄膜重量。

自修複介電彈性體執行器

圖5使用UPy-CPU-2聚合物的介電彈性體致動器(DEA)的效能。a)在1 kHz至1 MHz的頻率範圍內量測的UPy-CPU-2的介電常數和介電損耗角正切。b)UPy-CPU-2 DEA獲得的代表性面積應變和在環境條件下癒合12小時後癒合的UPy-CPU-2 DEA的面積應變顯示幾乎完全恢復。c)UPy-CPU-2 DEA在關閉狀態和開啟狀態下在≈50 Vμm-1下具有重疊的碳油脂電極。癒合區域可以通過紅色箭頭訓示的疤痕識別。d)移除電極後,在UPy-CPU- 2中觀察到由介電擊穿形成的孔。e)UPy-CPU-2再次預應變並顯示孔的恢復。插入物展示了去除預應變後損壞區域的擠壓。f)UPy-CPU-2 DEA獲得的代表性面積應變和電癒合UPy-CPU-2 DEA在環境條件下癒合12小時後的面積應變。g)附著在UPy-CPU-2 DEMES上的帶有PET腿的DEMES履帶式行走裝置。機器人的起始位置用紅色虛線表示。施加≈30 Vμm-1後,應力狀態發生變化,導致身體向下推,腿向前推。當電壓被移除時,由於兩個接觸點之間的不對稱摩擦,機器人的身體被向前拉。從訓示其終點的藍色虛線可以看出在單個步驟中行進的大致距離。

總結

通過在聚氨酯上設計UPy和羧基,分級動態氫鍵賦予薄膜高拉伸强度(9.44 MPa)、斷裂伸長率(2340%)和韌性(74.85 MJ m-3)。此外,隨著丙酮和IPA等極性溶劑的引入,由於其作為增塑劑的作用,新增了聚合物鏈的流動性和改變聚合物鏈平衡的能力,囙此可以顯著提高自修複效率和粘合强度。氫鍵與解離狀態。此外,這些基團的存在允許與多種資料(包括玻璃、木材、鋼和聚合物資料)形成大量的粘合劑相互作用,從而使該資料可用作潜在的表面粘合劑。UPy和羧基中存在的極性鍵賦予薄膜高介電常數,這是DEA實現高驅動應變所需要的。值得注意的是,在機械損壞或介電擊穿後,DEA可以顯示出自愈能力,其驅動效能高於其他自愈DEA。這些堅固耐用的DEA具有高韌性、可拉伸性和自愈效率,對於延長軟體機器人、觸覺設備和可穿戴設備的使用壽命仍然極具吸引力。同時,通過將UPy-CPU薄膜的驅動能力與其粘合性質相結合,提出了一種用於軟機器人組件和更換損壞組件的簡便“粘貼”方法。

參考文獻:doi.org/10.1002/adfm.202103097

原文刊載於【高分子材料科學】公眾號

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