پلیمر های الکترو فعال

نویسنده : فاطمه حاجی محمدی

 

پلیمر الکترو فعال( الکترو اکتیو) چیست:

 

پليمرهايي كه در پاسخ به تحريك الكتريكي دچار تغيير شكل يا اندازه مي شوند، پليمرهاي الكتروفعال ناميده مي شوند. این اثر به طور معکوس نیز می تواند وجود داشته باشد، یعنی با تغییر بعضی از خواص آن ها، اختلاف پتانسیل الکتریکی و در نتیجه جریان الکتریکی در آن ها ایجاد می شود.

پلیمرهای الکتروفعال که با نام اختصاری EAP نیز نشان داده می شوند دسته‌ای از بسپار ها می باشند که به محض قرارگیری در معرض یک میدان الکتریکی دچار تغییراتی در اندازه و شکل خواهند شد و معمول ترین مصارف این دسته از مواد در راه تولید سنسورها و عملگ رها می باشد.

 

 

 

-برای مطالعه بیشتر درباره پلیمر های هوشمند اینجا کلیک کنید

 

تاریخچه پلیمر های الکترو فعال:

 

اولین مشاهده درباره پلیمرهای الکتروفعال در سال ۱۸۸۸ توسط Röntgen به کمک آزمایشی ساده انجام گرفت. در ادامه در سال ۱۹۶۴ Kawai نشان داد، پلیوینیلیدن فلوئورید می تواند جریان الکتریکی تولید کند و خواص پیزوالکتریک نشان دهد. اهميت اين موضوع در علوم، با اعطای جايزه نوبل شيمي در سال ۲۰۰۰ به سه نفر از كاشفان پليمرهاي رسانا به نام های آلن هیگر ،آلن مک‌­دیارمید و هیدکی شیراکاوا به خوبي معلوم شد و عمومیت یافت . این سه دانشمند توانستند با کشف رسانش الکتریکی در پلی استیلن و تقویت آن تا حد رسانایی فلزات از راه دوپه کردن با اکسیدکننده هایی نظیر AsF5، NOPF6 و I2 بنیان علمی پلیمرهای الکتروفعال را بنا نهند.

 

کاربرد پلیمر های الکترو فعال:

 

پليمرهاي الكتروفعال سبک وزن، بسيار کشسان و قابل ارتجاع، ارزان، قابل شست وشو و تا حد زیادی انعطاف پذيراند. این پلیمرها مي توانند در دماهاي کم روي مواد بنشينند و به­‌راحتي کنترل و فراورش شوند. پليمرهای الكتروفعال را مي توان به راحتي به شکل های مختلف، شکل داد. علاوه بر اين، پليمرهاي الكتروفعال را مي توان به آسانی مهندسي كرد و به منظور توليد عمل گرها و در ریزحس گرها یا ساخت پارچه هاي هوشمند استفاده كرد.

پليمرهاي الكتروفعال در تهيه سلول های خورشیدی، باتری های سبک، قطعات الكتروكرومي، عمل گرها و ابزار الکترونیکی مولکولی به‌­كار رفته‌‌اند. بسیاری از پلیمرهای رسانا نظیر پلی استیلن، پلی وینیلیدین فلوئورید، پلی تیوفن، پلی ایندول، پلی پیرول، پلی آنیلین و غیره به عنوان مواد الکترودی برای باتری‌­های شارژی استفاده شده اند.

عملگرها یکی از مهم ترین و مفیدترین کاربردهای پلیمرهای الکتروفعال به شمار می رود. آن ها می توانند يك سيگنال الكتريكي را به پديده هاي فيزيكي تبديل كنند. از جمله این کاربردها ساخت ریزروبات ها، اعضا و ماهیچه های مصنوعي و بلندگوهاي صفحه تخت است که اغلب الاستومرهای دی الکتریک، پلیمرهای رسانا و کامپوزیت های پلیمر-فلز برای این هدف استفاده می شوند.

از کاربردهای ابتدایی پلیمرهای الکتروفعال، استفاده از آن ها در تهیه خازن ها است. از این پلیمرها می توان به عنوان الکترود یا ماده دی­ الکتریک خازن استفاده کرد. امروزه از پلي پيرول به جاي الكتروليت انتقال بار استفاده مي شود.

پليمرهاي الکتروفعال به عنوان منبع تغذيه نیز مورد توجه قرار گرفته اند. در حقیقت، اينگونه منابع تغذيه آلي با استفاده از منابع انرژي متفاوت نظير پديده هاي شيميايي، فعاليت هاي مکانيکي، گراديان هاي گرمایي يا تابش هاي الکترومغناطيسي انرژي الکتريکي را توليد و نگهداري مي­‌کنند.

مثال دیگری از کاربرد این مواد به عنوان مبدل یا مولد انرژی، ساعت هاي مچي خودكوك شونده است که انرژي را از حرکت دست در حين فعاليت هاي روزانه تامین می کنند.

يك مورد استفاده بسيار گسترده از پليمرهاي الكتروفعال، تهيه و توسعه حس گرهایی است كه قابلیت تعيين و تشخيص انواع تحريكات اعم از تغيير طول، تغيير ابعاد، نيروي مكانيكي، نفوذ يك جسم، ورود يك محرك شيميايي و غیره هستند.

 

انواع پلیمر های الکترو فعال:

 

این پلیمرها با توجه به سازوکار عملکردی و نوع پاسخ به جریان الکتریکی به دو گروه عمده پلیمرهای الکترونی و پلیمرهای یونی تقسیم می شوند.

 

 ۱- الکترونی:

 

این دسته از پلیمرها بر اساس انتقال الکترون در سطوح انرژی لایه ای حین قرارگیری در میدان الکتریکی عمل می کنند. پلیمرهای الکتروفعال الکترونی به دو دسته الاستومرهای دی الکتریک و پلیمرهای فروالکتریک تقسیم می شوند.

 

۱-۱- دی الکتریک:

 

پلیمرهای الکتروفعال دی الکتریک به موادی گفته می‌شود که در آنها نیروهای الکترواستاتیک بین دو الکترود می توانند واکنش هایی را به وجود بیاورند و فشاری را به ماده پلیمری وارد می کنند. پلیمرهای دی الکتریک می توانند دچار تغییر شکل بسیار زیادی شوند و به طور ذاتی نیز به عنوان خازن هایی شناخته می‌شوند که با اعمال ولتاژ بر ماده پلیمری و کاهش ضخامت آن و یا افزایش اندازه آن در مجاورت با میدان مغناطیسی ظرفیت متفاوتی خواهد داشت.

الکتروفعال ها معمولاً به ولتاژ اولیه بسیار زیادی (۱۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت) نیاز دارند تا بتوانند میدان‌های الکتریکی بزرگی را به وجود بیاورند اما میزان مصرف توان الکتریکی بسیار پایین خواهد بود. پلیمرهای الکتروفعال دی الکتریک به هیچ گونه توانی برای حفظ خازن در موقعیت مورد نظر نیازی ندارد.

نمونه‌هایی از این موارد پلیمرهای محدود کننده نیروی الکترونیکی و الاستومرهای دی الکتریک می باشد.

 

۲-۱- فرو الکتریک:

 

پلیمرهای فروالکتریک به عنوان پلیمرهای الکتروفعال الکترونی، دسته ای از مواد نارسانا هستند که با قرارگیری در میدان الکتریکی قطبش پذیری غیرخطی نشان میدهند. با حذف میدان الکتریکی، دوقطبی های تشکیل شده در آن ها از بین نمی رود که در این حالت ماده خاصیت رسانایی موقت پیدا می­‌کند. پلیمرهای پیزوالکتریک از جمله زیرگروه های پلیمرهای فروالکتریک هستند.

پیزوالکتریک ماده ای است که قابلیت تولید کار مکانیکی در اثر عبور جریان الکتریکی دارد و برعکس، در اثر اعمال کار مکانیکی جریان الکتریکی تولید کند.

پلي وينيليدن فلوئوريد پليمری نيمه بلوری است که ضريب تغيير طول پيزوالکتريک V/pm 28 را نشان ميدهد. زیست پليمرهایي نظير کالژن، کيتين و DNA نيز آثار پيزوالکتريک نشان ميدهند که مربوط به اتصال گروه هاي قطبي به اتم کربن نامتقارن در زنجير آن ها است. پليمرهاي بی شکل مانند کوپليمرهاي پليوينيل سيانيد و پليوينيل استات نيز هنگامي که تحت تأثير ميدان الکتريکي قرار می گيرنداثر پيزوالکتريک نشان مي دهند.

 

۲- یونی:

 

همانطور که در پلیمرهای الکترونی انتقال الکترون اساس رسانایی است، در پلیمرهای یونی، سازوکار رسانایی بر اساس انتقال یون در یک الکترولیت است.

پلیمرهای الکتروفعال که در آن ها جابه جای مواد یونی در ماده پلیمری صورت می‌گیرد به این روش فعالیت خود را آغاز می‌کنند. ولتاژ بسیار کمی برای آغازاین فعالیت نیاز می باشد اما جریان یونی به توان الکتریکی بالایی نیاز دارد تا بتواند فعالیت خود را آغاز کند و به انرژی معینی نیاز است تا بتوان این عملگر ها را در موقعیت های مناسب قرار داد. نمونه ای از پلیمرهای الکتروفعال یونی پلیمرهای رسانا و ترکیبات فلزات و پلیمر های یونی و ژل‌های واکنش گر می باشد.

 

۱-۲- مایع الکتروریولوژیکی:

 

این مایع میزان چسبندگی محلول را با استفاده از میدان مغناطیسی تغییر می‌دهد و در‌واقع نوعی سوسپانسیون از پلیمرها در یک مایع با ضریب دی الکتریک پایین می باشند. با اعمال میدان مغناطیسی بزرگ میزان چسبندگی این سوسپانسیون ها افزایش پیدا خواهد کرد و از مصارف این مایعات می توان به جذب کننده های شوک، دسته های موتور و عایق های صدا اشاره کرد.

 

۲-۲- ترکیب فلزات با پلیمرهای یونی:

 

ترکیبات فلزات با پلیمرهای یونی شامل لایه نازکی از مواد یونی میباشد که در آن از الکترودهای فلزی بسیار خالص بر روی سطح استفاده شده است و دارای کاتیون ها نیز می باشد تا بتواند میزان بار آنیون های قرار گرفته بر روی ساختار اصلی ماده پلیمری را متعادل سازد.این مواد عمل گرهای بسیار فعالی می باشند که با اعمال ولتاژ بسیار پایین به میزان فراوانی تغییر شکل خواهند داد و مقاومت ظاهری پایینی دارند. این ترکیبات کاربردهای بسیار زیادی دارند مانند الیاف کلاژن که از پلیمرهای یونی دارای بار طبیعی تشکیل شده است.

 

۳-۲- ژل های حساس به محرک ها:

 

این دسته از ژل ها که با نام هیدروژل ها نیز شناخته می شوند و با قرار گیری در یک محلول آبی متورم می شوند، دارای ویژگی‌های از جمله تغییر حجم می باشند. این مواد می‌توانند ویژگی های همانند حجم، خواص مکانیکی، نوری و سایر موارد را با تغییرات بسیار کمی در محرک های فیزیکی همانند میدان مغناطیسی، نور، دما و یا مواد شیمیایی دگرگون سازند. تغییر اندازه این دسته از مواد با تورم و یا ترک برداری آن ها انجام گرفته و به صورت انتشاری صورت می گیرد.