محرک حافظه دمایی پلیمر ها

دسته: مقالات منتشر شده در 24 تیر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 681

محرک های حافظه دمایی پلیمرها

خواندن حافظه دمایی پلیمرها که قابلیت آنها را در یادآوری دماهای اخیر شکل داده است، تاکنون بطور اجتناب ناپذیری با پاک کردن این اثر حافظه مرتبط است. در اینجا، محرک های پلیمری حافظه - دما (TMPA) مبتنی بر شبکه های کو پلیمر متقاطع که طیف وسیعی از دمای ذوب (ΔTm) را به نمایش می گذارند ارائه میشوند که قادر به یک حافظه دمایی طولانی مدت هستند که بیش از 250 چرخش کنترل حرارتی را با عملکرد تقریبآ ثابت امکان پذیر می کند. دمای تحریک مشخصه Tact را میتوان با یک فرایند کاملآ فیزیکی تنظیم کرد و همچنین یک تبلور جهت دار در یک محدوده دمایی تا 40 درجه سلسیوس را با تغییر Tsep در یک همبستگی تقریبآ خطی هدایت می کند. دمای TsepΔTm را به Tm بالاتر برای تشکیل یک هندسۀ محرک و قابل شکل گیری که تعیین کنندۀ اسکلت است و Tm پایین تر که قادر به تحریک دوطرفۀ کنترل شده - دما با کمک کشش ناشی از تبلور و انقباض ناشی از ذوب شدن است تقسیم می شود. تغییرات شکل دوطرفۀ ماکروسکوپی در TMPA می تواند با تغییر در ساختار نانو از حوزه های قابل تبادل در نتیجۀ تحقیقات درجا اشعه ایکس در ارتباط باشد. از کاربردهای بالقوۀ آنها نیز میتوان به موتورهای حرارتی با سرعت چرخش قابل تنظیم و نمای سازۀ فعال با محافظ های خورشیدی خودتنظیم اشاره کرد.

 

ترازبندی و اتصال تغییرات حجم کنترل شدۀ حرارتی در مقیاس نانو بعنوان مهمترین اصل برای ترجمه تغییرات شکل از نانوسطح به ماکروسطح در پلیمرها بیان شده است. در پلیمرهای پاسخ دهنده به محرک ها که قادر به ایجاد تغییر شکل مستقل هستند، این هم ترازی در حین سنتز یا پردازش با استفاده از فشار خارجی یا الگوها و ایجاد پیوندهای کووالانسی حاصل میشود. پس از تکمیل سنتز، هندسه تغییر شکل دیگر قابل تغییر نیست و دمای تحریک نیز از بین می رود. این فرایند به انتقال حرارتی با درجه حرارت تعریف شده وابسته است. ما در اینجا بررسی کردیم که آیا می توان یک محرک دوطرفه کنترل شده را با یک دستکاری کاملآ فیزیکی ازطریق حرارت در داخل پلیمرهای مستقل اعمال کرد که امکان تنظیم (تکرار) دمای تحریک و هندسه (تغییر شکل) را دارد؟ اگرچه تغییرشکل قابل برنامه ریزی در پلیمرهای حافظه - شکل (SMP) تحقق یافته است، اما این اثربخشی بطور کلی در SMP های مستقل یک بار مصرف و یک طرفه است. همچنین دامنه های سوئیچینگ در آنها که می توانند با تبلور یا شیشه شدگی جامد شوند، دو عملکرد را فراهم می کنند: هندسۀ تغییر شکل را تعیین کرده و باعث بهبود الاستیک آنتروپی می شوند. زمانی که پلیمرهایی با بخش های متبلور تحت فشار ثابت خارجی اعمال می شوند، میتوان یک حرکت برگشت پذیر را مشاهده کرد. اخیرآ پلیمرهای حافظه دما (TMP) برنامه نویسی دمای سوئیچ را فعال کرده اند. همچنین این اثر حافظه - دما (TME) به یک اثر یک طرفه محدود می شود. هدف از این مطالعه توسعه پلیمرهایی با قابلیت TME پایدار بود که می تواند تعداد زیادی چرخه فعال برگشت پذیر را در حین فرایندهای گرمایش و سرمایش انجام دهد. ما فرض کردیم که یک محرک پلیمر حافظه - دما با دمای تحریک قابل برنامه ریزی و هندسه (تغییر شکل) به یک اسکلت داخلی تغییر پذیر برای پیاده سازی یا تنظیم ترازبندی دامنه های تحریک نانومقیاس نیاز دارد. این کار به نوبه خود به نقاط اتصالی نیاز دارد که جهت گیری اسکلت داخلی را امکان پذیر می سازد. از یک طرف، اسکلت بایستی بتواند تراز را در چندین چرخه گرمایش و سرمایش حفظ کند و ازطرف دیگر، بایستی به اندازه کافی الاستیک باشد تا بتواند تغییر شکل را ایجاد کند. تنش ناشی از تغییرات حجم مقیاس نانو هماهنگ بایستی با تنش بازیابی الاستیک آنتروپی کاملآ متعادل باشد که تا حد زیادی تحت تأثیر دامنه های اسکلت ساز قرار می گیرد. با این حال، یک مؤلفۀ کاملآ الاستیک بایستی در آن گنجانده شود. در نهایت، دامنه های تحریک با درجه حرارت قابل برنامه ریزی بایستی اجرا شود. براساس این مفروضات، طبق شکل زیر یک مدل ساختاری برای چنین محرک هایی بدست آوردیم.

 

شکل 1: اصول کار در محرک قابل برنامه ریزی پلیمر حافظه - دما

 Working principle of the programmable temperature-memory

 

این یک اسکلت داخلی تشکیل شده توسط کریستالیت ها است که در مقیاس نانو به صورت یک شبکه فیزیکی قابل مقایسه با یک چارچوب تشکیل شده توسط پیوندهای آجری و دامنه های تحریک تراز شده در قاب ها تشکیل شده است. با انجام سرمایش، دامنه های فعال در جهت ترازشدن گسترش می یابند؛ در اینجا، توسط قاب با افزایش فاصله بین آجر گسترش می یابد. پایداری فرم ماکروسکوپی اسکلت پس از انقباض دامنه های تحریک در حین گرمایش با جابجایی افقی آجرها پیوند داده می شود. اگرچه امکان اجرای این مفهوم در چارچوبی از پیوندهای آجری به تازگی در یک شبکه کوپلیمر نشان داده شده است، که در آن چارچوب و عناصر محرک توسط دو بخش پلیمری ازلحاظ شیمیایی ارائه شده اند؛ چالش برای محرک دما - حافظه بعنوان تنظیم دمای محرک با یک پارامتر فیزیکی محسوب می شود که بایستی علاوه بر هندسه تحریک پذیر و قابل برنامه ریزی فعال شود. مفهوم ما برای پیاده سازی حافظه - دما در محرک های دو جهته ، یک سیستم شبکه پلیمری است که در آن دامنه های اسکلت سازی و تحریک تغییر پذیر هستند؛ البته این در صورتی است که از لحاظ شیمیایی یکسان باشند. در چنین شبکه های پلیمری، هر دو نوع دامنه و همچنین کنش مکانیکی آنها فقط با تغییر یک پارامتر فیزیکی قابل تنظیم است. کریستالیت ها بعنوان عناصر ساختاری با مقیاس نانو انتخاب شدند زیرا می توانند بعنوان آجر و همچنین واحدهای تغییردهندۀ حجم با کنترل حرارتی عمل کنند. یک شبکه پلیمری نیمه بلوری که طیف وسیعی از Tm اسکن شده از Tm,onset به Tm,offset مرتبط با یک نوع قطعه زنجیره ای پلیمری فراهم می کند که امکان تقسیم کریستال ها را در دو گروه باتوجه به Tm مرتبط با آنها فراهم می کند. کریستالیت های مرتبط با دامنه پایین تر Tm از Tm,onset~Tm  تا درجه حرارت (Tsep) که دامنه های بالاتر و پایین تر Tmرا جدا می کند، عملکرد محرک را فراهم می کنند.

تغییرات حجم ناهمسانگرد در دامنه های تحریک براساس جهت گیری ساختاری بخش های زنجیره ای در حین تبلور (کشیدگی) یا پس ردن پس از ذوب شدن (انقباض) است که فقط در صورت تراز شدن این دامنه ها در داخل اسکلت و همراه با نقاط خالص کووالانسی بعنوان نقاط اتصال از شبکه های پلیمری ایجاد می شود. به این ترتیب، تأثیرات روی سطح مولکولی به تغییرات شکل ماکروسکوپی ترجمه می شود. با این حال ، اسکلت تشکیل شده توسط کریستالیت های Tsep پایین بایستی به گونه ای ساخته شود که زنجیره های داخل دامنه های فعال در جهت تغییر شکل ماکروسکوپی هدف قرار بگیرند. بر همین اساس، تغییر شکل ماکروسکوپی (εssp) با توجه به ظاهر مورد نظر در Tprog مورد نیاز است. اسکلت در اثر سرمایش تحت تأثیر Tlow تشکیل می شود که در آن بخش های زنجیره ای متبلور می شوند. ما این فرایند را با هدف تعیین دمای تحریک و تغییر برنامه ریزی ظاهری بعنوان "سرمایش Tlow و ایجاد شکل B" نام گذاری می کنیم. گرمایش مجدد Tsep باعث ذوب شدن دامنه های تحریک و درنتیجه، ایجاد شکل A می شود. تغییرات ابعادی که به طور متضاد با انبساط حرارتی در حین گرمایش و انقباص بر اثر سرمایش به وجود می آیند، در حداکثر سرعت در دمای تحریک Tact (A-B) و Tact (B-A) اتفاق می افتد.

 

برای طراحی TMPA براساس مفهوم ذکر شده در بالا، یک ماده پلیمری مناسب به انتقال ذوب گسترده برای دستیابی به قابلیت حافظه - دما و تفکیک به دو بخش اسکلت سازی و تحریک ؛ الاستیسیته کافی برای فراهم نمودن امکان تغییر شکل برگشت پذیر اسکلت در حین تحریک و همچنین نقاط خالص کووالانسی برای انتقال تغییر شکل ماکروسکوپی اعمال شده به دامنه های اسکلت سازی و تحریک نیاز دارد. ما پلی (اتیلن - کو- وینیل استات) (cPEVA) متشکل از کووالانسی شامل بخش های پلی اتیلن قابل تبلور (PE) را بعنوان مواد پایه انتخاب کردیم. واحدهای تکرار وینیل استات به انتقال ذوب گسترده از کریستالیت های PE که در فاصله دمایی از حدود 25 درجه سلسیوس تا حدود 90 درجه سلسیوس قرار دارند، کمک می کنند. علاوه براین، فاز آمورف مربوط نیز به تغییر شکل الاستیک اسکلت کمک می کند. اتصالات متقاطع کووالانسی ثبات شکل در Tprog برای افزایش (εssp) در طی برنامه ریزی را فراهم می کند و از این طریق امکان جهت گیری دامنه های PE اسکلت و تحریک را فراهم می کند. تحریک حافظه - دما cPE - VA20d20 حاوی 20 درصد وزنی از واحدهای تکرار وینیل استات که با 2 درصد دی کومیل پراکسید گرمازا در مخلوط مواد اولیه به هم پیوند خورده بود، در بخش سوم از شکل یک نشان داده شده است. یک روبان که در Tprog = 90 درجه سلسیوس برنامه ریزی شده است، بین کنسرتینای منبسط شده (شکل A) و کنسرتینای منقبض شده (شکل B) در Tlow تغییر می کند. در اینجا ، Tact از روبان برنامه ریزی شده میتواند بطور سیستماتیک و فقط با تغییر Tsep تنظیم شود. براساس شکل زیر، این قابلیت عناصر TMPA ممکن است در نمای ساختمانی استفاده شود که قادر به کنترل میزان تاریکی با توجه به دما است.

 

شکل 2: تعیین قابلیت تحریک قابل برنامه ریزی cPEVA

 Demonstration of the programmable actuation capability of cPEVA

 

قابلیت حافظه دمایی محرک های cPEVA با استفاده از آزمون کششی حرارتی و مکانیکی اندازه گیری شد. این آزمایشات شامل تشکیل یک اسکلت اولیه تحت تغییر شکل εssp در Tprog و چرخه برگشت پذیری بعدی بین Tsep و Tlow در شرایط بدون تنش بود. علاوه براین، چرخه برگشت پذیری در شکل یک نشان داده شده است که شامل خنک کننده تا دمای 25 درجه سلسیوس و گرمایش تا 75 درجه سلسیوس برای نمونۀ cPE - VA20d20 می شود. برای گرمایش 75 درجه ، تقریبآ یک سوم تبلور که با کالری متری اسکن دیفرانسیل (DSC) تعیین شده است، در دامنه های اسکلت ساز واقع شده و دو سوم نیز بعنوان دامنه های تحریک عمل می کنند ؛ که بنظر می رسد تعادل بهینه ای برای این ماده باشد. تحریک بین شکل A و شکل B با درجه حرارت تحریک سازی Tact(A-B)=59±1 درجه و Tact ( B -A)=69±1 درجه سلسیوس مشخص می شود. ما فرضیه مان را مبنی بر اینکه آیا با استفاده از تغییر Tsep در ΔTm در cPE-VA20d20 و cPE-VA10d20 میتوان قابلیت تحریک حافظه - دما را بدست آورد؟ کلیات مفهوم ما برای طراحی یک محرک پلیمر حافظه - دما با انتقال این استراتژی به یک شبکه کوپلیمر متفاوت cPCLBA حاوی بخش های قابل تبلور پلی کپرولاکتون (PCL) نشان داده شد. دامنه های PCL یک ΔTm بین 5 و 60 درجه سلسیوس را فراهم می کنند که می تواند برای اجرای اسکلت سازی و تحریک عملکرد استفاده شود؛ در حالی که حوزه های آمورف پلی (ان - بوتیلاکریلات) حاوی دامنه های برای تضمین الاستیسیته مواد هستند. آزمایشات ترمودینامیکی با εssp=150 درصد در Tprog=60 درجه سلسیوس با قابلیت تحریک حافظه - دما را میتوان برای cPCLBA بدست آورد. با تغییر Tsep بین 40 و 50 درجه سلسیوس، میتوان دماهای تحریک را در محدوده بین 22±1 و 43±1 درجه سلسیوس تنظیم کرد. علاوه بر این میتوان پیش بینی کرد که محرک های پلیمر حافظه - دما با پایداری طولانی مدت در بسیاری از چرخه ها، که مبتنی بر پلیمرهای کالایی بوده و حتی دما و شکل ظاهری آنها را میتوان در یک فرایند کاملآ فیزیکی تنظیم کرد، زیربنای نوآوری در حوزه های مختلف را می سازند. موتورهای حرارتی با سرعت چرخش قابل تنظیم یا نمای کنترل شده با حرارت را میتوان بعنوان نمونه های کاربرد بالقوه نام برد که از یک محافظ خودکارآمد کنترل شده در برابر آفتاب با دامنه قابل تنظیم دما استفاده میکند.