制動器是指在外界化學、電磁、氣/水壓、溫度、溼度、光照、pH值等刺激作用下產生機械應力或應變的裝置，在軟體(柔性制動器)和硬體(剛性制動器)機器人領域有著重要的應用潛力和研究價值。大多數聚合物基柔性致動器由於材料的低模量(＜1 GPa)和高應變(＞＞1%)特性，目前主要應用在軟體機器人領域，而很難用於硬體機器人的製備。硬體機器人所需的剛性致動器需要超高模量(＞＞1 GPa)的基體材料，而現有的研究表明只有金屬材料能夠滿足這一特性，但是密度較高的金屬材料很難滿足硬體機器人未來輕量化的發展趨勢，同時由於材料的特性，現在金屬材料剛性制動器的驅動力一般是電刺激。因此找到一種具有低密度和其它刺激作用(如光照)的材料來代替金屬材料製備適用於硬體機器人的剛性致動器是目前該領域的重大難題！
基於此，荷蘭埃因霍溫理工大學Albertus P.H.J. Schenning教授課題組將具有光-熱轉換效應的偶氮苯衍生物加入到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基體中進行高度拉伸(拉伸比DR=60)，得到了具有低密度(975 kg/m-3)、高機械強度(模量≈100 GPa)以及在低應變條件下(＜1 %)對光具有快速(＜1 s)響應性的類金屬材料剛性致動器薄膜。研究結果表明利用短鏈PE改性後的偶氮苯衍生物(C78-OH-AZO和C78-AZO)在UHMWPE基體中有良好的分散性，經過高度拉伸之後複合薄膜結晶度大幅度增加，因此機械性能大幅度提升，滿足了剛性致動器所需的強度和模量，同時微添加量(＜0.22 mol %)的偶氮苯衍生物在經過高度拉伸之後主要分散在非晶區相中，在受到外界光照之後，由於受到基體施加的構象約束，偶氮苯結構的反式順式光異構化過程受到了限制，而順式反式反異構化過程可以順利進行釋放出熱量，這些熱量傳遞到高度取向的UHMWPE鏈上引起了應力的增加。測試結果顯示覆合薄膜具有快速的光-機械響應能力(＜1 s)，在405 nm的LED光照和超低的應變(~0.06 %)條件下，可以使含0.22 mol %的C78-OH-AZO複合薄膜的光致應力增強達到60 MPa，驅動效率超過6×104 Pa/(kg m-3)，並且在經過2600次循環之後其光驅動應力增強效果可以得到很好的保持，因而在輕量化硬體機器人領域所需的剛性致動器製備上具有重要的應用潛力。這項研究以題為“Fast, Light-Responsive, Metal-Like Polymer Actuators Generating High Stresses at Low Strain”的論文發在《Matter》期刊上(後附原文鏈接)。
【圖文解析】
圖1.(a)偶氮苯衍生物C78-OH-AZO和 C78-AZO的結構和製備過程; (b)和(c)分別是含0.11 mol % C78-AZO和C78-OH-AZO的UHMWPE複合薄膜的線性二色性表徵
作者研究了兩種結構的偶氮苯分子(C78-OH-AZO和 C78-AZO)對UHMWPE薄膜光驅動應力增強性能的影響，為了提高偶氮苯分子在非極性UHMWPE基體中的分散性，作者首先在偶氮苯分子兩端接枝了短PE鏈[圖1(a)]得到偶氮苯衍生物，將其與UHMWPE高溫混溶之後成各向同性的膜，然後再在120 ℃條件下進行高度拉伸(DR=60)得到具有各向異性[圖1(b)、(c)]、高結晶度和高強度的複合薄膜。
圖2.偶氮苯衍生物/UHMWPE複合薄膜在光照條件下的應力-鬆弛測試
作者對含不同結構的偶氮苯衍生物和在不同強度光照條件下的複合薄膜進行了應力-鬆弛機械性能測試，結果如圖2所示。測試發現在應變小於1 %的條件下，複合薄膜顯示出典型的線性粘彈性力學行為，因此作者在保持1%形變的條件下研究了光照對複合薄膜(含0.06 mol%偶氮苯衍生物)應力的影響。結果顯示覆合薄膜應力對光具有非常快速的響應性，在＜1 s的時間內彈性模量約為100 GPa的薄膜應力增加了10~30MPa，並且隨著光照的增強應力還可以得到進一步提升，顯示出了優異的光致應力增強的特性。同時作者發現光致應力增強效果還可以隨著偶氮苯衍生物在複合薄膜中添加量的增加而增加[圖2(E)(F)]——在406 nm的LED光照條件下，含0.22 mol %的C78-OH-AZO複合薄膜光致應力增強最大可以超過60 MPa。
圖3.(A)複合薄膜在光照射後的譜圖變化，顯示了偶氮苯順反結構的變化；(B)線性旋轉光照射下複合薄膜產生的振盪應力波；(C)含0.22 mol %的C78-OH-AZO複合薄膜光致應力增強循環測試
研究結果表明含偶氮苯結構的UHMWPE複合薄膜光致應力增強的特性來源於偶氮苯的光-熱轉換特性，偶氮苯在高度結晶的UHMWPE基體中受限促使了順式結構向反式結構的轉變，釋放出的熱量使得複合薄膜應力增強。由於複合薄膜具備高模量、對光快速響應以及光照下應力大幅度增強的特性，因此是製備剛性制動器的理想材料。測試結果表明，由該複合薄膜製備的剛性致動器在線性旋轉光照射下可以產生穩定的振盪應力波，並在長時間測試中顯示出優異的可循環性。
總結：這項研究採用加入順反結構可變的偶氮苯結構分子(光照觸發)和高度拉伸的加工方式製備了高強度、低密度、優異的光致應力增強和快速光響應特性的聚合物基剛性致動器，使傳統的電驅動剛性制動器和光驅動柔性制動器的優點相結合，在未來的輕量化硬體機器人領域具有重要的應用潛力，同時也開拓了一種低密度剛性制動器材料的製備方法。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301144
來源：高分子科學前沿
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