Разработка подходов к созданию композиционных исполнительных устройств на основе новых полимерных электроактивных материалов, способных функционировать в жестких условияхНИР

Development of approaches to the creation of transducers based on new electroactive polymer materials capable of operating under extreme conditions

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 30 октября 2018 г.-30 октября 2019 г. Разработка подходов к созданию композиционных исполнительных устройств на основе новых полимерных электроактивных материалов, способных функционировать в жестких условиях
Результаты этапа: Проект направлен на разработку подходов к созданию полимерных ионных исполнительных устройств (актуаторов), способных функционировать в условиях космоса. Такие устройства представляют собой композитную пленку толщиной в несколько сотен микрон, которая способна изгибаться под действием приложенного напряжения, обычно в 1-10 В. Актуатор состоит из трех слоев: полимерной электролитной мембраны, покрытой с двух сторон электродами. При приложении напряжения между электродами происходит набухание одной поверхности устройства за счет миграции ионов электролита, что приводит к деформации всего устройства. Поскольку обе поверхности актуатора представляют собой электроды, то именно они отвечают за устойчивость к жестким условиям. В данной работе электроды были получены из углеродных нанотрубок, которые обеспечивают высокую электронную проводимость, с добавлением фторопласта, который отвечает за прочность и устойчивость пленки. В процессе реализации проекта был синтезирован специальный полимер для создания электролитной мембраны. Полимер структурно близок полистиролу, но в отличие от него этот полимер характеризуется большей подвижностью углеродного скелета, а фенильные группы менее стерически затруднены, что позволяет получать полимер с высокой степенью сульфирования. Были подобраны условия сульфирования полимера, обеспечивающие высокую степень содержания ионных групп. Полученный полимер оказался плохо растворимым, что сильно ограничивает его применение. Также известно, что полимеры с высокой степенью сульфирования образуют стабильный комплекс с электролитом (ионной жидкостью), что приводит к низкой ионной проводимости мембран. Заменой протонов сульфо-групп на имидазолий и метилимидазолий были решены обе эти проблемы. На основе этих модифицированных полимеров были изготовлены исполнительные устройства методом горячего прессования, демонстрирующие стабильную работу при низком напряжении в 2В и низком потреблении мощности в 3 мВ/см2. Разработанные актуаторы характеризуются деформацией изгиба и значением генерируемой силы в три раза выше по сравнению с аналогичным устройством на основе коммерчески доступного иономера Nafion (DuPont).
2 30 октября 2019 г.-30 октября 2020 г. Разработка подходов к созданию композиционных исполнительных устройств на основе новых полимерных электроактивных материалов, способных функционировать в жестких условиях
Результаты этапа: Проект направлен на разработку подходов изготовления ионных актуаторов, способных функционировать в условиях околоземной орбиты. Данные актуаторы представляют собой трехслойные композиты, состоящие из полимерной ионной мембраны, покрытой с обеих сторон электродами на основе углеродных нанотрубок. На первом этапе проекта был разработан метод получения ионопроводящих мембран на основе нового полимера — сульфированного гидрированного поли(фенилнорборнена) (СГПФНБ). Работа на втором этапе проекта была направлена на исследование влияния ионопроводящей среды на свойства мембран на основе СГПФНБ. Вначале была полчучена серия полимеров заменой атомов водорода сульфогрупп полимера на имидазолий, метилимидазолий, 1-метил-3-этилимидазолий и 1-бутил-3-метилимидазолий. Структура соединений была доказана методом ядерного магнитного резонанса (1H ЯМР), полимеры были также охарактеризованы методами инфракрасной спектроскопией и дифференциальной сканирующей калориметрией. Из модифицированных полимеров изготавливались пленки толщиной 100 мкм и определялась ионная проводимость методом импедансной спектроскопии. Наибольшая подвижность катионов наблюдалась в случае 1-метил-3-этилимидазолия. Для повышения проводимости к модифицированным полимерам были добавлены цвиттер-ионы на основе имидазолия и изготовлены пленки. Однако, оказалось, что цвитерр-ионы не смешиваются с полимерами и выпадают в отдельную кристаллическую фазу, что было доказано растровой электронной микроскопией (РЭМ) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. Параллельно с работами по полимерным ионопроводящим мембранам, проводились исследования по оптимизации состава и методов получения электродов. Ключевыми характеристиками электродов для применений в актуаторах являются механические свойства, в частности модуль упругости, электронная проводимость и электрическая емкость. Электроды состоят из трех компонентов: базового полимера (ПВДФ), который в первую очередь определяет прочность пленки, углеродных нанотрубок, которые отвечают за электронную проводимость и электролита (ионная жидкость), который обеспечивает доступ ионов к поверхности нанотрубок, что определяет общую емкость электрода. При изготовлении электродов растворным методом из этих компонентов происходит неравномерное распределение электролита по объему пленки. Поэтому для получения электродов с контролируемой пористостью и морфологией, были получены электроды с порообразующими добавками, которые затем экстрагировались, и полученная пористая пленка пропитывалась электролитом. Вначале мы протестировали разные порообразующие добавки на чистом ПВДФ, чтобы точнее определить их влияние на структуру полимера. Для этой цели были получены пленки ПВДФ с добавлением разного количества полиэтилен гликоля (ПЭГ-3к и ПЭГ-40к), дибутилфталата и ионной жидкостью. После удаления добавки для полученных пленок была изучена морфология с помощью РЭМ, измерена пористость, получены механические свойства при растяжении, определены степень кристалличности и кристаллические фазы с помощью ИК спектроскопии и ДСК соответственно. Затем пленки были пропитаны в ионной жидкости и для полученных мембран были измерены значения ионной проводимости. Пленки, полученные с ионной жидкостью, обладают губкоподобной пористой структурой с наименьшей среди всех исследуемых объектов степенью кристалличности. Наоборот, пленки на основе ПЭГ и ДБФ имеют сферулитную структуру, причем с увеличением количества добавки размер сферулитов уменьшался. Наименьший размер сферулитов и как следствие наибольшая пористость наблюдалась для образцов на основе ПЭГ-40к. Однако, эти образцы обладали настолько низкой прочностью, что не удалось провести никаких дополнительных испытаний. В итоге на основе этих данных были изготовлены электроды с 40 об.% порообразующих добавок и испытаны. Лучшие результаты, как и ожидалось, показали электроды, полученные с ПЭГ-40к. Из этих электродов и мембраны на основе СГПФНБ были изготовлены и испытаны актуаторы. В итоге предложенные на данном этапе работы модификации компонентов позволили увеличить как скорость деформации актуаторов, так и генерируемую блокирующую силу.
3 22 января 2021 г.-1 марта 2022 г. Разработка подходов к созданию композиционных исполнительных устройств на основе новых полимерных электроактивных материалов, способных функционировать в жестких условиях
Результаты этапа: В процессе реализации проекта были успешно получены два типа полимеров 5-фенил-2- посредством метатезисной полимеризации с раскрытием цикла и аддитивной полимеризацией, а также блок сополимеры по обоим путям синтеза. Изучена реакция сульфирования полимеров в гомогенных условиях и получены иономеры с высокой степенью сульфирования до 79-81 % (МЭК ~3,4 мэкв/г). Все полученные полимеры охарактеризованы методами ДСК, ГПХ, 1Н ЯМР и ИК-Фурье. Для электромеханических применений растворимые в обычных полярных органических растворителях полимеры получали заменой протона сульфогруппы на имидазол и 1-метилимидазолий. Мембраны изготавливались с использованием полимеров и ионной жидкости, а также в виде смесей с ПВДФ. Механические, морфологические и проводящие свойства мембран исследовали с помощью испытаний на растяжение, СЭМ и спектроскопии импеданса соответственно. Параллельно были подробно исследованы подходы к получению электродов на основе УНТ, а также способы управления их морфологией. В результате была разработана технология получения ионных актуаторов с электродами на основе коммерчески доступной дисперсии УНТ. Актуаторы с мембранами на основе метилимидазол-содержащих иономеров превосходили по своим характеристикам классический актуатор, а также устройства на основе популярных ионных мембран вроде Нафиона и сульфированного СЭБС. Полученные актуаторы продемонстрировали стабильную и длительную работы без потери эффективности на воздухе, высокие деформации (до 1,14 %) и генерируемое напряжение (до 1,21 МПа) при низком напряжении 2В.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".