南洋理工大学《AFM》坚韧、可拉伸和自修复聚氨酯胶粘剂弹性体-软机器人

摘要

软机器人容易因动态环境中发生的物理损坏而过早失效。为了解决这个问题， 新加坡南洋理工大学 Pooi See Lee 教授 团队 报告了一种具有高韧性、室温自愈性和强粘附性的弹性体，可以防止软机器人损坏和恢复。通过使 用脲基 -4[1H]-嘧啶酮 (UPy) 和羧基的分级氢键对聚氨酯 进行功能化，可以获得高韧性 (74.85 MJ m -3 )、拉伸强度 (9.44 MPa) 和应变 (2340%)。

此外，室温下溶剂辅助自修复能够在 12 小时内保持高韧性 (41.74 MJ m -3 )、拉伸强度 (5.57 MPa) 和应变 (1865%)。该弹性体具有高介电常数 (≈9) ，有利于其用作软机器人的自修复介电弹性体致动器 (DEA)。在机械和电自愈后分别显示 ≈31.4% 和 ≈19.3% 的高面积应变，实现了性能最佳的自愈 DEA。凭借丰富的氢键，无需额外固化或加热即可实现高粘合强度。具有 驱动和粘合特性，实现了用于组装坚固软机器人的“粘贴”策略，允许软机器人组件在严重损坏时轻松重新组装或更换 。这项研究突出了具有极端坚固性的软机器人在不同操作条件下的潜力。 相关论文以题为 Rugged Soft Robots using Tough, Stretchable, and Self-Healable Adhesive Elastomers 发表在《 Advanced Functional Materials 》上。

主图

材料特性

图1 UPy-CPU 的分子结构和材料表征。 a) UPy-CPU 的化学结构。b) SAXS 曲线分别显示了 CPU 预聚物、UPy-CPU-1 和 UPy-CPU-2 的一阶干扰峰。c）超分子UPy-CPUs弹性体的紫外-可见透射光谱。d) CPU 预聚物、UPy-CPU-0.1、UPy-CPU-1 和 UPy-CPU-的储能模量（G'）和损耗模量（G″）的角频率 (ω) 依赖性 e) 分层氢键（单、双和四重）的示意图。N-H/C=O氢键排列的各种形成导致牺牲键的形成，这在变形时有效地耗散能量。

机械和自愈特性

图2 UPy-CPU-2聚合物的机械性能。 a) UPy-CPU-0.1、UPy-CPU-1 和 UPy-CPU-2 的储能模量 (E') 和损耗因数 (tanδ) 的代表性动态力学分析曲线，在氮气气氛下作为温度的函数测量，加热速率为 3°C min -1 ，频率为 1 Hz。b) UPy-CPU 在 10 min -1 时具有不同量 UPy(OH) 2 的拉伸应力-应变曲线。c) UPy-CPU-2 在不同应变率 0.1、1 和 10 min -1 （对应于 1、10 和 100 mm min -1 ）下的拉伸应力-应变 曲线，以说明牺牲氢键的动态性质。 d) UPy-CPU 对 1000%、500% 和 250% 的各种应变的循环应力-应变曲线，以评估耗散的能量。e) 延迟 2 小时后的循环应力-应变曲线及其随后的恢复周期，以研究 UPy-CPU-2 的自恢复能力。f) 拉至 1000% 应变十个循环时的滞后损失和 2 小时恢复时间后另外十个循环的滞后损失。

图3 UPy-CPU-2 聚合物的自我修复。 a）溶剂在自愈过程中的作用示意图。首先，薄膜被切成两半，在单个本体链段内的聚合物链之间形成氢键。随后，将薄膜放置在接触处，并将溶剂添加到受损区域以允许氢键溶胀和解离。最后，在溶剂蒸发和薄膜愈合后发生氢键的重新形成。b）在环境条件下的愈合过程中引入IPA后，具有不同愈合时间的自愈合UPy-CPU样品的拉伸应力-应变曲线。c) Ashby 图表，总结了在中等温度（≤50°C）或室温下，愈合薄膜的韧性与各种自愈合材料的愈合时间的关系。d) 0.5、1、3、6 和 12 小时（右）后表面损伤（左，0 小时）和愈合膜的光学显微镜图像。切割深度：其厚度 0.6 mm 的 20–35%，比例尺：50 µ m。用剃刀刀片切割薄膜以造成损坏，在损坏后立即将三滴 IPA 溶剂滴在破裂区域并置于环境温度下。

黏附力

图4 UPy-CPU-2聚合物的粘合性能。 a) 搭接剪切试验程序的示意图。对于湿的 UPy-CPU 薄膜，将薄膜浸入 IPA 溶剂中 10 秒，然后放置在两个搭接接头之间。b) 预聚物、干和湿 UPy-CPU-2 薄膜搭接接头的附着力位移曲线。插图显示了搭接接头的各自粘合失效模式，左侧是失效的预聚物搭接接头，然后是湿和干的 UPy-CPU-2 薄膜搭接接头。c) 湿膜粘附在基材上时被拉动的数码照片，显示了内聚和粘合模式之间的中间失效状态。d) 湿 UPy-CPU-2 薄膜紧密粘附在丁腈手套和由玻璃、金 属、塑料、 PTFE 和纸组成的各种物体之间。e) 粘附在钢、PET、木材和玻璃基材上的干湿 UPy-CPU-2 薄膜的搭接剪切强度。f) 由湿 UPy-CPU-2 薄膜粘合的钢搭接接头可承受 1 kg 的重量，≈5000 倍的薄膜重量。

自修复介电弹性体执行器

图5 使用 UPy-CPU-2 聚合物的介电弹性体致动器 (DEA ) 的性能。 a) 在 1 kHz 至 1 MHz 的频率范围内测量的 UPy-CPU-2 的介电常数和介电损耗角正切。b) UPy-CPU-2 DEA 获得的代表性面积应变和在环境条件下愈合 12 小时后愈合的 UPy-CPU-2 DEA 的面积应变显示几乎完全恢复。c) UPy-CPU-2 DEA 在关闭状态和开启状态下在 ≈50 V μm -1 下具有重叠的碳油脂电极。愈合区域可以通过红色箭头指示的疤痕识别。d) 移除电极后，在 UPy-CPU-2 中观察到由介电击穿形成的孔。e) UPy-CPU-2 再次预应变并显示孔的恢复。插入物展示了去除预应变后损坏区域的挤压。f) UPy-CPU-2 DEA 获得的代表性面积应变和电愈合 UPy-CPU-2 DEA 在环境条件下愈合 12 小时后的面积应变。g) 附着在 UPy-CPU-2 DEMES 上的带有 PET 腿的 DEMES 履带式行走装置。机器人的起始位置用红色虚线表示。施加≈30 V μm -1 后，应力状态发生变化，导致身体向下推，腿向前推。当电压被移除时，由于两个接触点之间的 不对称摩擦，机器人的身体被向前拉。从指示其终点的蓝色虚线可以看出在单个步骤中行进的大致距离。

总结

通过在聚氨酯上设计 UPy 和羧基，分级动态氢键赋予薄膜 高拉伸强度 (9.44 MPa)、断裂伸长率 (2340%) 和韧性 (74.85 MJ m -3 ) 。此外，随着丙酮和 IPA 等极性溶剂的引入，由于其作为增塑剂的作用，增加了聚合物链的流动性和改变聚合物链平衡的能力，因此可以显着提高自修复效率和粘合强度。氢键与解离状态。此外，这些基团的存在允许与多种材料（包括玻璃、木材、钢和聚合物材料）形成大量的粘合剂相互作用，从而使该材料可用作潜在的表面粘合剂。UPy 和羧基中存在的极性键赋予薄膜高介电常数，这是 DEA 实现高驱动应变所需要的。值得注意的是，在机械损坏或介电击穿后，DEA 可以显示出自愈能力，其驱动性能高于其他自愈 DEA。这些坚固耐用的 DEA 具有高韧性、可拉伸性和自愈效率，对于延长软体机器人、触觉设备和可穿戴设备的使用寿命仍然极具吸引力。同时， 通过将 UPy-CPU 薄膜的驱动能力与其粘合性质相结合，提出了一种用于软机器人组件和更换损坏组件的简便“粘贴”方法。

参考文献 ：

doi.org/10.1002/adfm.202103097

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