Optimisation of Silicone-based Dielectric Elastomer Transducers by Means of Block Copolymers - Synthesis and Compounding

摘要

I takt med at teknologien indenfor kunstige muskler udvikles, er det forventeligt, at man vil se et skift fra metalbaserede til bløde materialer baseret på elastomerer. Forskning, der har til formåe, at efterligne de bløde og robuste menneskelige muskler ved hjælp af elastomerer, forekommer i stigende omfang. I den dielektriske elastomer opnås aktuering, når et elektrisk felt medfører, at Maxwell spændingen overstiger den elastiske spænding. Dette resulterer i en sammentrækning i højderetningen og en udvidelse af overfladearealet. Ud over anvendelse som aktuatorer benyttes dielektriske elastomerer også som generatorer og sensorer. Silikone har som dielektrisk elastomer fundet udbredt anvendelse pga. attraktive egenskaber så som termisk stabilitet, elektrisk isolationsevne, høj gas permeabilitet og lav toksisitet. Silikone er dog kendetegnet ved lav dielektrisk konstant og dermed lav energitæthed. Udviklingen af silikone med høj dielektrisk konstant kombineret med høj elektrisk sammenbrudsstyrke og lavt Youngs modul er afgørende for at kunne forbedre materialets egenskaber som aktuator. I denne PhD afhandling er der anvendt to forskellige metoder til at forbedre silikones egenskaber såsom dielektisk konstant og elektrisk sammenbrudsstyrke. Den første metode havde til hensigt at øge den dielektriske konstant for silikone elastomerer ved anvendelsen af polydimethylsiloxane-polyethyleneglycol (PDMS-PEG) copolymer. Formålet med dette var at opnå en elastomer med høj energitæthed. PDMS-PEG copolymer blev syntetiseret og iblandet kommerciel silikone og efterfølgende krydsbundet vha. krydsbindecemolekyler. Sammenlignet med den kommercielle silikone blev den resulterende relative permitivitet af krydsbundet silikone med 5 wt% PDMS-PEG øget med næsten 50%. Dette uden tab af dielektriske og mekaniske egenskaber. Den anden metode havde til hensigt at øge den elektriske sammenbrudsstyrke af silikone ved at anvende en aromatisk spændingsstabilisator. Polyphenylmethylsiloxane (PPMS) som udgjorde den aromatiske spændingsstabilisator blev covalent bundet til PDMS via en hydrosilylation, hvorved der dannes PDMS-PPMS copolymer. Den syntetiserede copolymer blev efterfølgende krydsbundet med en vinyl krydsbinder. Den fremstillede krydsbundne PDMS-PPMS copolymer var både blød og robust samt udviste øget elektrisk sammenbrudsstyrke (21%) sammenlignet reference materialet uden den aromatiske spændingsstabilisator. En kompatibel elektrode, i form af en ledende polymer, blev udviklet ved inkorporering af kulstof nanorør (multi-walled carbon nanotubes – MWCNT) i en PDMS-PEG matrix. Overfladebehandlet MWCNT blev inkorporeret i den ledende PDMS-PEG copolymer med henblik på at opnå en elastomer med høj ledningsevne. Det fremstillede materiale indeholdende 4 phr MWCNT var blødt, og den resulterende ledningsevne var høj, 10-2 S cm-1, hvilket var tæt på niveauet for kommercielle polymerer. I denne afhandling er elastomer- og elektrodesystemet refereret til som en 'dielektrisk elastomer transducer'.