کاغذ اصلاح شده با پلیمر

گرادیان‌های شیمیایی در ورق‌های کاغذ اصلاح شده با پلیمر؛ پیش بسوی رباتیک های نرم بیومیمتیک تک لایه

محرک‌های بیومیمتیک معمولاً به صورت دو یا چند لایه عملکردی ساخته می‌شوند که در آن لایه‌های فعال و مقاوم با هم واکنش‌های خمشی را بر اثر تحریک محیطی دیکته می‌کنند. با الهام از ساختارهای متحرک گیاهی مانند ساقه‌های رز کاذب جریکو (Selaginella lepidophylla)، ورق‌های کاغذی اصلاح شده با پلیمر را معرفی می‌کنیم که می‌توانند به‌عنوان محرک‌های رباتیک نرم محرک‌های تک لایه عمل کنند که قادر به واکنش‌های خمشی مقاوم به رطوبت هستند. یک تغییر گرادیان مناسب در ضخامت ورق کاغذ مستلزم افزایش استحکام کششی خشک و مرطوب است و در عین حال، پاسخگویی به رطوبت را فراهم می‌کند. برای ساخت چنین دستگاه‌های کاغذی تک لایه، رفتار جذب یک پلیمر با قابلیت اتصال عرضی به شبکه‌های فیبر سلولزی برای اولین بار مورد ارزیابی قرار گرفت. با استفاده از غلظت‌های مختلف و روش‌ خشک کردن، گرادیان‌های پلیمری با ضخامت مختلف را می‌توان به دست آورد. به دلیل اتصال عرضی کووالانسی پلیمر با الیاف، این کاغذها از خواص مقاومت کششی خشک و مرطوبی برخوردار هستند که به‌طور قابل توجهی افزایش یافته‌اند. ما علاوه براین، این کاغذهای گرادیان را باتوجه به انحراف مکانیکی در طول چرخه رطوبت بررسی کردیم. بیشترین حساسیت به رطوبت با استفاده از کاغذ اکالیپتوس با گرماژ 150 گرم در متر مربع اصلاح شده با پلیمر محلول در IPA (حدود 13 درصد وزنی) دارای گرادیان پلیمری به‌دست آمد. در اینجا یک رویکرد ساده برای طراحی جدید هیگروسکوپی محرک‌های کاغذی تک لایه بیان می‌شود که پتانسیل بالایی در کاربردهای متنوع رباتیک نرم و حسگر دارند.

در طول سال‌های اخیر، انواع محرک بیومیمتیک، مستقل و عملکردی برای کاربردهایی مانند رباتیک نرم، پزشکی و معماری توسعه داده شده اند. آنها متکی بر تعامل چندین لایه مواد هستند که به محرک‌های محیطی مانند تغییرات رطوبت واکنش متفاوتی نشان می‌دهند. با این کار، آنها تشابهات عملکردی با محرک‌های طبیعی مانند مخروط‌های کاج دارند که با خشک شدن (دانه‌ها با باد پراکنده می‌شوند) باز می‌شوند و هنگامی که خیس هستند، بسته می‌شوند (در نتیجه بذرها حفظ می‌شوند). این رفتار مخروط‌ها با اختلاف دیفرانسیل و خواص کوچک شدن لایه‌های بافتی مرتبط با عملکرد در داخل فلس‌های کاج امکان پذیر است. مکانیسم‌های سازگار بیومیمتیک ذکر شده که بدون نیاز به لولاهای معمولی عمل می‌کنند و در غیر این‌صورت در مکانیسم‌های بدنه صلب یافت می‌شوند، می‌توانند از بسیاری از سیستم‌های مختلف مواد طبیعی ویا فنی ساخته شوند. در این زمینه، مواد کاغذی از مزایای مختلفی بهره می‌برند زیرا کاملاً قابل بازیافت بوده و از منابع پلیمری بیوژنیک سرچشمه می‌گیرند. کاغذ با توجه به ماهیتی که دارد، می‌تواند به‌عنوان یک پلتفرم جامع در زمینه‌های مختلف مانند دستگاه‌های میکروسیال همچون سنجش جریان لترال برای تشخیص سریع مولکول‌های مختلف در آنالیت‌ها، دستگاه‌‌های سنجش کرنش سنسینگ، گاز و رطوبت، و دستگاه‌های خود فعال تاثیرپذیر از تغییرات دما، نور یا رطوبت استفاده شود. اکثر این دستگاه‌های رباتیک نرم با اصلاح کاغذ با، برای مثال، پلیمرهای پاسخگو به محرک، مولکول‌های کوچک یا ذرات غیر آلی به‌منظور دستیابی به خواص مورد نظر ساخته می‌شوند.

از تکنیک‌های رایجی همچون چاپ، دست نویس، پوشش، اشباع، بارش و پلیمریزاسیون پیوند برای ساخت این دستگاه‌ها استفاده می‌شود. با این حال، مطالعاتی که در آن از کاغذ نه تنها به‌عنوان یا حامل یا بستر، بلکه به‌عنوان یک انتگرال، القای حرکت و بخش تأثیرگذار ربات نرم نام می‌برند بسیار نادر هستند. خواص مکانیکی، به‌ویژه استحکام مرطوب، پارامترهای مهمی در دستگاه‌های فعال با رطوبت هستند. در اینجا، ترکیب تغییرات چند منظوره که منجر به خواص خود فعال سازی و درعین حال افزایش استحکام مرطوب می‌شود، بسیار مفید خواهد بود اما به بهترین نحو گزارش نشده است. عوامل استحکام خشک و مرطوب معمولاً در انتهای رطوبت کاغذ صنعتی استفاده می‌شوند؛ یعنی مخلوط با سوسپانسیون خمیر الیاف قبل از بی بافت بودن الیاف. در اینجا، مقدار افزودنی را می‌توان با تنظیم غلظت ماده افزودنی در خوراک کنترل کرد. توسعه استحکام کششی خشک کاغذ با افزایش مقدار پلی آکریل آمید کاتیونی (CPAM) در انتهای مرطوب به‌خوبی بررسی شده است که می‌تواند با یک منحنی اشباع توصیف شود. پراکندگی فضایی CPAM در شبکه فیبر و خود فیبرها و همچنین خواص کششی حاصل در ماکروسکوپی و میکروسکوپی مورد بررسی قرار گرفتند. مشاهده شد که افزودن CPAM در انتهای مرطوب (کاربرد داخلی) یا توسط اشباع (کاربرد خارجی) به‌طور همگن در سراسر ضخامت کاغذ پراکنده شد. با این حال، برای پوشش‌های یک و دو طرفه، CPAM فقط در سطح بالایی یا هر دو سطوح بالا و پایین به‌ترتیب، با حجم کمتر افزوده شده است.

خواص کششی خشک نیز با کاربرد آن متفاوت بود و همانطور که در بالا توضیح داده شد، کاربرد انتهای مرطوب را نشان می‌دهد. نکته جالب اینکه همان اختلاف در آغشته سازی یا پوشش مشاهده نشد، جایی‌که مقادیر شاخص کششی در کل CPAM افزایش یافته است. برای استفاده گسترده از عامل استحکام مرطوب پلی آمیدوآمین اپی کلروهیدرین (PAE)، به منحنی‌های اشباع مشابه و مقادیر کششی در برخی مطالعات اشاره شد. اوبوکاتا و ایسوگای افزودن داخلی و خارجی PAE به نمونه‌های کاغذ را بررسی کردند اما هیچ تفاوتی در استحکام کششی مرطوب مشاهده نکردند که ممکن است به دلیل کوچک بودن سایز آنها نسبت داده شود. برای مطالعه پراکندگی فضایی PAE در ورق‌های کاغذی تلاش شده است؛ با این‌حال، در اینجا به دلیل استفاده از تصویربرداری اسپکتروسکوپی FT-IR یا میکروسکوپ نور عبوری به کمک رزولوشن فضایی انجام شد. بنابراین، در وهله اول بر پراکندگی فضایی در مقیاس ماکروسکوپی تمرکز شد. انتشار ماکرومولکول‌ها در داخل منافذ الیاف سلولزی نیز مورد بررسی قرار گرفت که کاملاً پیچیده و گسترده است. با این حال، پلیمرهای بدون بار در اینجا مورد بحث نبودند. هوروات و همکارانش نشان دادند که سینتیک جذب دکستران بومی (بدون بار) به طور قابل توجهی تحت تاثیر وزن مولکولی است. همچنین نتیجه گرفتند، همانطور که انتشار پلیمرها در یک محیط متخلخل توسط فرآیند شبه - رپتیشن اداره می شود، می‌تواند توسط برهمکنش‌های هیدرودینامیک ماکرومولکول‌ها با دیواره منافذ تفسیر شود.

رفتار جذب کوپلیمر فلورسنت با فتواتصال متقابل P(DMAAco-MABP-co-RhBMA) حل شده در دو حلال H20 و IPA ورقه‌های الیاف سلولزی/مشبک/کاغذی مورد مطالعه قرار گرفت. غلظت پلیمر، علاوه بر روش خشک کردن، مشخص شد که تأثیرات عمیقی بر پراکندگی فضایی دارد. با استفاده از این اثرات و با انتخاب دقیق پارامترهای کاربردی امکان تنظیم دقیق گرادیان‌های پراکندگی پلیمر در سراسر ضخامت کاغذ وجود داشت. با کمک فرایند خشک کردن در صفحه تفلون تبخیر را به یک طرف کاغذ محدود کرده و بنابراین، انتقال ماکرومولکول‌های پلیمر در شبکه فیبر را هدایت می‌کند. تحلیل کششی ورق‌های کاغذ اصلاح شده نشان داد که پراکندگی همگن کوپلیمرهای متقاطع در سراسر ضخامت کاغذ برای افزایش شاخص کششی خشک و مرطوب ضرورت ندارد. از این رو، یافته‌های ما نشان می‌دهد که داشتن یک لایه پیوسته بدون نقص (در صفحه کاغذ) مهم‌تر است تا اسپنینگ لایه در کل ضخامت ورق. مشاهده شد که چنین ورق‌های کاغذی تک لایه دارای گرادیان در پلیمرهای حاوی الیاف با تقلید از ساختارهای گیاهی رز کاذب جریکو (Selaginella lepidophylla)، جایگزین مناسبی برای محرک‌های کاغذی آسیب‌پذیر در تغییرات رطوبتی هستند. طراحی محرک‌های پاسخگو به رطوبت از یک صفحه کاغذ نقش مثبتی در سازه‌های چند لایه، کاهش خطر لایه‌برداری، طراحی و پیچیدگی تولید دارد. در نهایت، یک هیسترزیس قوی درصورت انحراف چندگانه مشاهده کردیم. برای درک عمیق این رفتار، در مطالعات بعدی به بررسی دلایل احتمالی مانند قرنیه زدایی، تغییر شکل پلاستیک شبکه فیبر و همچنین شبکه پلیمری خواهیم پرداخت.