南洋理工大學《AFM》堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人

非金非土非木

2021年6月22日 10:34

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。為了解決這個問題，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、室溫自愈性和強粘附性的彈性體，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 )、拉伸強度 (9.44 MPa) 和應變 (2340%)。

南洋理工大學《AFM》堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人的圖1

此外，室溫下溶劑輔助自修復能夠在 12 小時內保持高韌性 (41.74 MJ m ^-3 )、拉伸強度 (5.57 MPa) 和應變 (1865%)。該彈性體具有高介電常數 (≈9) ，有利于其用作軟機器人的自修復介電彈性體致動器 (DEA)。在機械和電自愈后分別顯示 ≈31.4% 和 ≈19.3% 的高面積應變，實現了性能最佳的自愈 DEA。憑借豐富的氫鍵，無需額外固化或加熱即可實現高粘合強度。具有驅動和粘合特性，實現了用于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松重新組裝或更換。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潛力。相關論文以題為 Rugged Soft Robots using Tough, Stretchable, and Self-Healable Adhesive Elastomers 發表在《 Advanced Functional Materials 》上。

主圖

材料特性

南洋理工大學《AFM》堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人的圖2

圖1 UPy-CPU 的分子結構和材料表征。 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

南洋理工大學《AFM》堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人的圖3

圖2 UPy-CPU-2聚合物的機械性能。 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測量，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 （對應于 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% 的各種應變的循環應力-應變曲線，以評估耗散的能量。e) 延遲 2 小時后的循環應力-應變曲線及其隨后的恢復周期，以研究 UPy-CPU-2 的自恢復能力。f) 拉至 1000% 應變十個循環時的滯后損失和 2 小時恢復時間后另外十個循環的滯后損失。

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圖3 UPy-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。隨后，將薄膜放置在接觸處，并將溶劑添加到受損區域以允許氫鍵溶脹和解離。最后，在溶劑蒸發和薄膜愈合后發生氫鍵的重新形成。b）在環境條件下的愈合過程中引入IPA后，具有不同愈合時間的自愈合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，愈合薄膜的韌性與各種自愈合材料的愈合時間的關系。d) 0.5、1、3、6 和 12 小時（右）后表面損傷（左，0 小時）和愈合膜的光學顯微鏡圖像。切割深度：其厚度 0.6 mm 的 20–35%，比例尺：50 μ m。用剃刀刀片切割薄膜以造成損壞，在損壞后立即將三滴 IPA 溶劑滴在破裂區域并置于環境溫度下。

黏附力

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圖4 UPy-CPU-2聚合物的粘合性能。 a) 搭接剪切試驗程序的示意圖。對于濕的 UPy-CPU 薄膜，將薄膜浸入 IPA 溶劑中 10 秒，然后放置在兩個搭接接頭之間。b) 預聚物、干和濕 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，然后是濕和干的 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、塑料、 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干濕 UPy-CPU-2 薄膜的搭接剪切強度。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。

自修復介電彈性體執行器

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圖5 使用 UPy-CPU-2 聚合物的介電彈性體致動器 (DEA ) 的性能。 a) 在 1 kHz 至 1 MHz 的頻率范圍內測量的 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愈合 12 小時后愈合的 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 V μm ^-1 下具有重疊的碳油脂電極。愈合區域可以通過紅色箭頭指示的疤痕識別。d) 移除電極后，在 UPy-CPU-2 中觀察到由介電擊穿形成的孔。e) UPy-CPU-2 再次預應變并顯示孔的恢復。插入物展示了去除預應變后損壞區域的擠壓。f) UPy-CPU-2 DEA 獲得的代表性面積應變和電愈合 UPy-CPU-2 DEA 在環境條件下愈合 12 小時后的面積應變。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 V μm ^-1 后，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，由于兩個接觸點之間的不對稱摩擦，機器人的身體被向前拉。從指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強度 (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，由于其作為增塑劑的作用，增加了聚合物鏈的流動性和改變聚合物鏈平衡的能力，因此可以顯著提高自修復效率和粘合強度。氫鍵與解離狀態。此外，這些基團的存在允許與多種材料（包括玻璃、木材、鋼和聚合物材料）形成大量的粘合劑相互作用，從而使該材料可用作潛在的表面粘合劑。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后，DEA 可以顯示出自愈能力，其驅動性能高于其他自愈 DEA。這些堅固耐用的 DEA 具有高韌性、可拉伸性和自愈效率，對于延長軟體機器人、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，提出了一種用于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