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Multifunctional reprogrammable actuators based on polymer networks with crystallizable segments
(2019)
Soft polymeric materials, which can change their shape reversibly in response to external stimuli, can serve as actuating components in robotic systems. Besides electroactive polymers (EAP), hydrogels and liquid crystalline elastomers (LCE), crosslinked crystallizable shape-memory polymers networks have been introduced recently as reprogrammable thermo-reversible actuators. The integration of additional functions in such materials will lead to multifunctional polymeric actuators, which meet the complex requirements of modern robotic applications.
The primary aim of this thesis was to achieve multifunctional reprogrammable thermo-reversible actuators based on thermoplastic polymers. Here, three different actuators providing additional functionalities such as surface modification capability (i), self-healing capability (ii) or a tailorable non-response function enabling noncontinuous multi-step motions (iii) were realized. At first, it was hypothesized that surface modifiable polymeric actuators (i) can be achieved by crosslinking of crystallizable thermoplastic terpolymers having reactive moieties, where subsequent thermomechanical programming enables reversible actuations while the sustained reactive groups allow post surface modification. For the second actuator type (ii) it was hypothesized that self-healing during reprogramming of polymeric actuators prepared by crosslinking of crystallizable linear homopolymers, can be achieved by adjusting the amount of freely interpenetrating extractable polymer moieties. Finally, it was hypothesized that thermo-reversible actuators providing a non-response function (iii) and thus enable multistep motions upon continuous normal stimulation, can be achieved by a crosslinked blend of two thermoplastic polymers with co-continuous morphology having a well-separated melting and crystallization transitions. In addition, these actuators can be physically reprogrammed by heating above all melting transitions to provide a different actuating shape.
In this study, surface functionalizable actuators were realized from crosslinked poly[(ethylene)-co-(ethyl acrylate)-co-(maleic anhydride)] (cPEEAMA) based networks. Here crystallizable polyethylene (PE) segments should serve as actuation segments, ethyl acrylate (EA) provides elasticity to the system required for deformation, while reactive maleic anhydride (MA) will be used as chemically modifiable entities for post surface modification. Networks with varied crosslink density were prepared and its effect on thermomechanical properties as well as actuation performance was analyzed. Cyclic thermomechanical experiments were employed to investigate the actuation capability, which revealed a reversible actuation (ε׳rev) between 5 and 15%. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) measurements confirmed that MA groups were sustained at the sample surface after processing and programming, which could be modified by reaction with ethylene diamine. Such amine functionalization allows the attachment of bioactive molecules to the actuator surface, which might provide a route to actuating substrates for biotechnology.
Self-healable actuating materials were realized by poly(ε-caprolactone) (PCL) polymer networks with extractable linear PCL fractions of 5 to 60 wt%. A detailed evaluation of the actuation capabilities by cyclic experiments revealed the highest reversible change in strain of Δε = 24% for the cPCL network with 30 wt% of linear polymer. The thermal treatment of damaged samples resulted in the healing of the network when heated to 80 °C. Here a linear polymer fraction ≥ 30 wt% was necessary to achieve a self-healing efficiency of ≥ 50%. The application of such high temperatures erases the programmed actuator shape and at the same time allows to reprogram a new actuating shape. Such sustainable actuators with self-healing function are of great interest for future robotic devices.
Afore mentioned actuators operate continuously between two shapes and their movements can only be interrupted when the temperature is stopped. To overcome this limitation, noncontinuously responding actuators enabling multi-step actuation were realized from crosslinked blend networks prepared from PCL and poly[(ethylene)-co-(vinyl acetate)] (PEVA). These polymers (PCL and PEVA) were selected due to their immiscible character, where crystallizable PE and PCL segments provide two different actuation units, while vinyl acetate (VA) segment enabled sufficient elasticity of the system. A gap of 20 K in the melting and crystallization temperature of PE and PCL was achieved by selecting PEVA with 5 wt% VA content (cPCL-PEVA5) providing a co-continuous phase morphology. Cyclic thermomechanical investigations were employed to investigate noncontinuous actuation, which revealed a high Δε = 25% with a similar contribution from PCL and PE actuation units with a non-response region in the temperature range from 50 to 71 °C in heating step and 30 to 60 °C in cooling step. The actuation related to PCL part changed from 13 to 2% by altering the heating and cooling rates from 3 to 10 K·min-1. Free-standing reversible noncontinuous actuation was realized by rotating demonstrator which exhibits reversible angle change in a custom-made setup. For this purpose, cPCL-PEVA5 stripe was programmed by twisting and reversible rotational actuation was realized from 0 to 180° while pausing in the 90° position during non-response. These blends can be physically programmed to perform reversible noncontinuous actuations, while the programmed geometry can be erased by heating it to temperature above all melting transitions. By physically reprogramming of the material various different actuation modes can be obtained. Such a noncontinuous actuator would be relevant for designing interruptive actuating soft robots at continuous trigger signals.
Entwicklung multi-stimuli sensitiver Materialien auf der Basis von flüssigkristallinen Elastomeren
(2012)
Aufgrund der zunehmenden technischen Ansprüche der Gesellschaft sind sich aktiv bewegende Polymere in den Mittelpunkt aktueller Forschung gerückt. Diese spielen bei Anwen-dungen im Bereich von künstlichen Muskeln und Implantaten für die minimal invasive Chirurgie eine wichtige Rolle. Vor allem Formänderungs- und Formgedächtnispolymere stehen dabei im wissenschaftlichen Fokus. Während die kontaktlose Deformation einer permanenten Form in eine temporäre metastabile Form, charakteristisch für Formände-rungspolymere ist, kann bei Formgedächtnis-Materialien die temporäre Form, aufgrund der Ausbildung reversibler, temporärer Netzpunkte, fixiert werden. Ein Polymermaterial, das eine Kombination beider Funktionen aufweist würde zu einem Material führen welches kontaktlos in eine temporäre Form deformiert und in dieser fixiert werden kann. Zusätzlich würde aufgrund der kontaktlosen Deformation die Reversibilität dieser Funktion gewähr-leistet sein. Ein solches Material ist bislang noch nicht beschrieben worden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob durch die Kopplung zweier separat schaltbarer, be-kannter Funktionen eine neue schaltbare Funktion erzielt werden kann. Daher wurden multi-stimuli sensitive Materialien entwickelt die eine Kopplung des Formänderungs- und des Formgedächtniseffektes aufweisen. Dazu wurden zwei Konzepte entwickelt, die sich hinsichtlich der Reihenfolge der verwendeten Stimuli unterscheiden. Im ersten Konzept wurden flüssigkristalline Elastomere basie-rend auf Azobenzenderivaten aufgebaut und hinsichtlich der Kombination des licht-induzierten Formänderungseffektes mit dem thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt untersucht. Diese orientierten Netzwerke weisen oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) eine kontaktlose Verformung (Biegung) durch Bestrahlung mit UV-Licht des geeigneten Wellenlängenbereichs auf, wodurch eine temporäre Form erhalten wurde. Hierbei spielt der Vernetzungsgrad eine entscheidende Rolle bezüglich der Ausprägung dieser Biegung. Eine fixierte, temporäre Form konnte durch gleichzeitiges Abkühlen des Materials unterhalb von Tg während der Bestrahlung mit UV-Licht erhalten werden. Nach erneutem Aufheizen über Tg konnte die Originalform wiederhergestellt werden. Dieser Vorgang konnte reversibel durchgeführt werden. Damit wurde gezeigt, dass eine neue schaltbare Funktion erzielt wurde, die auf der Kopplung des lichtinduzierten Formänderungs- mit dem thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt basiert. Die Abstimmung der einzelnen Funktion wird in diesem Konzept über die Morphologie des Systems gewährleistet. Diese neue Funktion ermöglicht eine kontaktlose Deformation des Materials in eine temporäre Form, welche fixiert werden kann. Im zweiten Konzept wurde eine Kopplung des thermisch induzierten Formänderungs- mit dem licht-induzierten Formgedächtniseffekt angestrebt. Um dies zu realisieren wurden nematisch, flüssigkristalline Hauptkettenelastomere (NMC-LCE) entwickelt, die eine nied-rige Übergangstemperatur der nematischen in die isotrope Phase (TNI), als auch einen aus-geprägten thermisch induzierten Formänderungseffekt aufweisen. Zusätzlich wurde eine photosensitive Schicht aufgebaut, die Cinnamylidenessigsäuregruppen in der Seitenkette eines Polysiloxanrückgrates aufweist. Die Reversibilität der photoinduzierten [2+2]-Cycloaddition konnte für dieses photosensitive Polymer beobachtet werden, wodurch die-ses Polymersystem in der Lage ist reversible temporäre Netzpunkte, aufgrund der Bestrah-lung mit UV-Licht, auszubilden. Die kovalente Anbindung der photosensitiven Schicht an die Oberfläche des flüssigkristallinen Kerns wurde erfolgreich durchgeführt, wodurch ein Multi-Komponenten-System aufgebaut wurde. Die Kombination des thermisch-induzierten Formänderungs- mit dem licht-induzierten Formgedächtniseffektes wurde anhand dieses Systems untersucht. Während die Einzelkomponenten die erforderliche Funktion zeigten, ist hier noch Arbeit in der Abstimmung beider Strukturen zu leisten. Insbesondere die Variation der Schichtdicken beider Komponenten steht im Fokus zukünftiger Arbeiten. In dieser Arbeit wurde durch die Kopplung von zwei separat schaltbaren, bekannten Funktionen eine neue schaltbare Funktion erzielt. Dies setzt voraus, dass die Einzelkomponenten hinsichtlich einer Funktion schaltbar sind und in einem Material integriert werden können. Des Weiteren müssen die beiden Funktionen mit unterschiedlichen Stimuli geschaltet werden. Ein wichtiger Schritt bei der Kopplung der Funktionen, ist die Abstimmung der beiden Komponenten. Dies kann über die Variation der Morphologie oder der Struktur erzielt werden. Anhand der Vielzahl der vorhandenen stimuli-sensitiven Materialien sind verschiedene Kopplungsmöglichkeiten vorhanden. Demnach wird erwartet, dass auf diesem Gebiet weitere neue Funktionen erzielt werden können.