Аннотация:В настоящее время интересным и перспективным направлением исследования является получения материалов способных реагировать на внешние стимулы. Устройства, которые совершают движение путем преобразования поступающих в систему энергии и сигналов, называют актуаторами. Материалы, обладающие обратимым и воспроизводимым откликом на внешние стимулы, также рассматривают в качестве своеобразных актуаторов. Область их применения может быть достаточно обширной: создание мягких мышц и мягких роботов, получение на их основе датчиков, сенсоров или умных переключателей, использование в биомедицине в качестве контейнеров для доставки лекарств. Основными характеристиками таких материалов являются скорость отклика, стабильность работы и природа внешнего стимула.
Для получения материала, обладающего свойствами актуатора, необходимо создание анизотропной структуры. Наиболее простой способ формирования такой структуры является соединение двух слоев с разными свойствами: активного – взаимодействующего с окружающей средой и неактивного – выполняющего роль носителя, матрицы. Актуаторы, способные изгибаться под действием паров химических веществ (как правило воды), в основном включают слой гидрогеля. Как правило, такие системы имеют долгое время отклика и развивают небольшие усилия из-за низкого модуля упругости. Все эти недостатки подталкивают исследователей к созданию более совершенных систем. Однако в погоне за качеством актуаторов исследователи зачастую используют дорогие и сложные для получения в промышленных масштабах компоненты. Таким образом, поиск простого и достаточно дешевого способа получения «умных» материалов, обратимо изгибающихся под действием паров химических веществ с возможностью варьирования времени отклика и усилия, остается актуальной проблемой.
В данной работе материал со свойствами актуатора, который способен быстро и обратимо реагировать на пары полярных жидкостей, предлагается получать на основе промышленной пленки полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). В основе способа лежит структурно-механическая модификация полимера по механизму крейзинга, которая заключается в одноосном деформировании исходной пленки в адсорбционно-активной среде (ААС). В результате чего в полимере формируется высокодисперсная взаимопроникающая пористая структура со средним размером пор несколько десятков нанометров. Сформированные поры можно использовать в качестве микрообъемов для проведения in situ синтеза второго компонента с заданной структурой и морфологией. В работе в качестве второй фазы был выбран гидрат диоксида кремния, который известен как распространенный сорбент силикагель, синтез которого можно легко осуществлять из различных этилсиликатов (ЭТС-40, сверхразветвленный полиэтоксисилоксан, тетраэтоксисилан) по реакции гидролитической конденсации. Ранее подобные композиты рассматривались в качестве перспективной основы для получения конструкционных материалов, протонпроводящих систем, аэрогелей.
В ходе выполнения работы разработан способ получения гибкого композиционного материала с градиентным распределением наполнителя на основе пористой гидрофобной матрицы полиэтилена и гидрофильной фазы гидратированного диоксида кремния, обладающего обратимым откликом в виде изгиба на пары жидкостей различной природы (вода, ацетонитрил, этилметилкетон и др.). Основное преимущество методики заключается в простоте получения, доступности исходных компонентов и высокой стабильности отклика полученного актуатора.
Обнаружено, что кривизна изгиба и время отклика композита ПЭВП-SiO2 определяется характеристиками пористой полимерной матрицы и содержанием наполнителя, которые влияют на модуль Юнга материала и на структуру и свойства гидрофильного слоя. Определены оптимальные характеристики нанокомпозитов, обладающих наиболее выраженным (угол изгиба 150о) и быстрым (около 1 с) откликом, а именно, объемная пористость полимерной матрицы около 40 об.% (степень деформации 200%) и содержание SiO2 – порядка 40 мас.%.
Показано, что сила скручивания и угол изгиба зависят от градиента концентрации молекул жидкости между двумя поверхностями композиционной пленки, что может быть использовано для создания интеллектуального устройства, например датчика влажности.
Предложена теоретическая физико-математическая модель, описывающая явление изгиба композита ПЭВП-SiO2 под действием паров воды. Показано, что полученные в рамках модели теоретические зависимости кривизны изгиба от времени и содержания диоксида кремния хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Полученные нанокомпозиционные ПЭВП-SiO2 актуаторы могут быть перспективны для использования в качестве датчиков на влажность и пары различных полярных веществ, а также в качестве устройств типа «искусственной мышцы».
