DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-4-606-613


УДК541.64:537.3:681.5

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ ДЛЯ МИКРОРАЗМЕРНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Ельяшевич Г. К., Курындин И. С., Дмитриев И. Ю., Власов П. В., Иванов В. П.


Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Ельяшевич Г.К., Курындин И.С., Дмитриев И.Ю., Власов П.В., Иванов В.П. Электромеханические системы на основе полимерных гидрогелей для микроразмерных исполнительных устройств // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 4. С. 606–613. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-4-606-613

Аннотация

Предложен новый подход к построению исполнительных устройств для автоматики и робототехники, основанный на использовании новых электроактивных полимерных материалов – набухающих гидрогелей. Получены гидрогелевые pH-чувствительные системы, содержащие два полимерных компонента – сшитые полиакриловую кислоту и поливиниловый спирт. Описана методика синтеза гибридных гидрогелей и приведены достигнутые значения их характеристик – степеней набухания в воде и водном растворе соли. Разработан способ получения гидрогелевых элементов заданной геометрической конфигурации и изготовлены образцы гидрогелей в форме цилиндров и колец. Проведены измерения механических свойств полученных гидрогелей при сжатии. Показано, что образцы гибридных гидрогелей имеют более высокую прочность и эластичность, чем однокомпонентные гидрогели полиакриловой кислоты, полученной таким же методом. Предложена конструкция исполнительного устройства, включающего гидрогель в качестве управляемого элемента. Построен экспериментальный макет такого исполнительного устройства, на котором отработана стабильность характеристик материала, разработаны методы крепления электродов и подвода электрического тока. Установлено, что образцы гидрогелей, изготовленные в форме эластичных колец, демонстрируют электромеханический отклик – сжатие при пропускании через их сечение электрического тока, что свидетельствует о возможности их использования в качестве линейно работающего генератора механического усилия. Показано, что этот эффект выражен сильнее для образцов, набухших в водном растворе сульфата натрия, чем в дистиллированной воде.


Ключевые слова: электромеханический отклик, полимерные гидрогели, полиакриловая кислота, поливиниловый спирт, исполнительные устройства, механические свойства

Список литературы
 
1.     Методы классической и современной теории автоматического управления. В пяти томах. Под ред. Егупова Н.Д., Пупкова К.А. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.
2.     Теряев Е.Д., Филимонов Н.Б. Наномехатроника: состояние, проблемы, перспективы // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 1. С. 2–14.
3.     Carpi F. Electromechanically Active Polymers. Switzerland: Springer, 2016. 798 p.
4.     Bar-Cohen Y. Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles: Reality, Potential, and Challenges. 2nd ed. Bellingham: SPIE Press, 2004. 816 p.
5.     Osada Y., Khokhlov A.R. Polymer Gels and Networks. NY: Marcel Dekker, 2002. 384 p.
6.     Shiga T. Deformation and viscoelastic behavior of polymer gels in electric fields // Advances in Polymer Science. 1997. V. 134. P. 131–163. doi: 10.1007/3-540-68449-2_2
7.     Ito H., Kezuka K. Polymer Actuator. Patent US 20070190150A1. Publ. 16.08.2007.
8.     Shahinpoor M. Spring-loaded polymeric gel actuators. Patent US 5389222. Publ. 14.02.1993.
9.     Elyashevich G.K., Smirnov M.A., Bobrova N.V., Dmitriev I.Yu., Bukošek V. Multicomponent electroactive and pH-sensitive smart composites based on polypyrrole, polyacrylic acid hydrogels, and polyethylene porous films // Smart Nanocomposites. 2012. V. 3. N 2. P. 123–136.
10.  Otake M., Kagami Y., Inaba M., Inoue H. Motion design of a starfish-shaped gel robots made of electroactive polymer gel // Robotics and Autonomous Systems. 2002. V. 40. N 2-3. P. 185–191. doi: 10.1016/s0921-8890(02)00243-9
11.  Jayaramudu T., Ko H.U., Kim H.C., Kim J.W., Li Y., Kim J. Transparent and semi-interpenetrating network P(vinyl alcohol)-P(Acrylic acid) hydrogels: pH responsive and electroactive application // International Journal of Smart and Nano Materials. 2017. V. 8. N 2-3. P. 80–94. doi: 10.1080/19475411.2017.1335247
12.  Budtova T., Suleimenov I., Frenkel S. Electrokinetics of the contraction of a polyelectrolyte hydrogel under the influence of constant electric current // Polymer Gels and Networks. 1995. V. 3. N 3. P. 387–393. doi: 10.1016/0966-7822(94)00031-2
13.  Rasmussen L., Erickson C.J., Meixler L. et al. Considerations for contractile electroactive polymeric materials and actuators //Polymer International. 2010. V. 59. N 3. P. 290–299. doi: 10.1002/pi.2763
14.  Дмитриев И.Ю., Боброва Н.В., Иванов В.П., Ельяшевич Г.К.Электроуправляемый элемент исполнительного устройства на основе гидрогеля. ПатентRU 175272.2017.
15.  Бельникевич Н.Г., Боброва Н.В., Елоховский В.Ю., Зоолшоев З.Ф., Смирнов М.А., Ельяшевич Г.К. Влияние типа инициатора на структуру гидрогелей сшитой полиакриловой кислоты // Журнал прикладной химии. 2011. Т. 84. № 12. С. 1222–1229.
16.  Иванов В.П., Дмитриев И.Ю., Бизин М.М., Дашевский В.П., Ельяшевич Г.К.Исполнительное устройство. ПатентРФ№175482. 2017.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2018 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика