Investigation of electrospun nano-fibrous polymeric actuators： Fabrication and Properties

Titelangaben

Liu, Li:
Investigation of electrospun nano-fibrous polymeric actuators： Fabrication and Properties.
Bayreuth, Germany , 2018 . - 128 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Bioinspired polymeric actuators are very well-known in the literature. They are mostly based on a bilayer structure with asymmetrical swelling/shrinkage. The existing problems are: speed of the actuation, direction control of the movements and multi-responsive ability. The aim of my work is to have detailed studies related to responsive polymeric actuators with high sensitivity (fast actuation), directionally controlled and multi-responsive ability. For enhancing the speed of actuation, porous fibrous mats were used in this work with a hypothesis of increasing the mass transport and thus resulting in high speed of actuation. Electrospinning was used as a tool for making porous fibrous mats.
Firstly, through combining the passive layer of aligned thermoplastic polyurethane (TPU) fibrous mat and the active layer of poly(n-isopropylarylamide) P(NIPAM), a bilayer thermoresponsive polymeric actuator is obtained. It demonstrates the following highlights: 1) ultra-fast actuation between 0.6 – 5 s; 2) reversible directionally controlled movement (rolls, tubes, helices); 3) there was not only shape changes but also surface changes triggered by temperature.
Secondly, a stable one-component polymeric actuator was created by electrospinning a random P(NIPAM) fibrous mat and an aligned P(NIPAM) fibrous mat. The combined bilayer thermoresponsive actuator consists of only one component of P(NIPAM) and the actuation of this actuator is irreversible. In addition, the temperature-triggered formed size could be controlled by temperature. Moreover, the actuation is directionally controlled depending on the angles between fiber alignment and long axis and it is demonstrated that by numerical simulations the observed behaviour is the unique combination of anisotropic thermal expansion with an equally anisotropic elastic modulus of the employed material as well.
Thirdly, a dual-responsive composite actuator composed of thermo- and pH-responsive poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (poly(NIPAm-AA)) fibers (average diameter ~ 905 nm) embedded within a passive thermoplastic polyurethane (TPU) matrix at different angles with degree of alignment as high as 98% was presented. The actuation direction were dependent on the angles between fiber alignment and long axis. The actuation and the actuated tube was is independent of temperature at pH 7 and above. However, temperature could be used to control the size of the actuated tubes at lower pH. Although the polymeric actuator is only 5.8 mg, it was able to reversibly lift and release ~426 times weight of its own mass (2.47 g metal ring).
In summary, it is worth noting that our strategy, through which it is very convenient to obtain porous structure and directionally controlled actuation, is not only applicable to P(NIPAM) and P(NIPAM-AA), but also to other “smart” polymers, which therefore enriches the designs of versatile polymeric actuators with high sensitivity.

Abstract in weiterer Sprache

Von der Natur inspirierte, synthetische Aktuatoren sind in der Literatur ausgiebig bekannt. In den meisten Fällen sind diese aus zwei unterschiedlichen Schichten, welche unterschiedliche Quell-bzw. Schrumpfungseigenschaften, besitzen. Allerdings existieren hierbei folgende Probleme: Die Geschwindigkeit der Aktuatoren, die nicht kontrollierbare Richtung der Faltungsbewegung und die fehlende Multiresponsivität. Ziel meiner Arbeit ist die detaillierte Untersuchung von Aktuatoren welche sehr sensitiv, also sehr schnell, richtungskontrollierbar und auch auf mehrere Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder pH reagieren, also multiresponsive Eigenschaften besitzen. Um einen schnellen Faltungsvorgang zu erreichen, wurden in dieser Arbeit poröse Fasermatten verwendet, da die Hypothese war, dass mit steigendem Stofftransport der Faltungsvorgang sehr schnell abläuft. Um poröse Fasern herzustellen, wurde die Methode des Elektro Spinning verwendet. Im ersten Fall wurde durch Kombination einer passiven Schicht(Fassermatte) welche aus einem thermoplastischen Polyurethanfasern hergestellt wurde und einer aktiven Schicht (Fassermatte) aus thermoresponsiven Poly(N-isopropyl acrylamid) P(NIPAM) ein zweischichtiger, thermoresponsiver Aktuator erhalten, welcher folgende Eigenschaften besitzt: 1) Ultra schneller Faltungsvorgang in 0,6- 5 Sekunden, 2) reproduzierbare richtungskontrollierte Bewegung (Rollen, Röhren und Helices, 3) Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit mit der Temperatur.
Im zweiten Fall wurde ein Aktuator aus nur einer Komponente hergestellt, welcher aus einer Schicht (Fasermatte) elektrogesponnener P(NIPAM)Fasern mit zufällig verteilter Ausrichtung und einer weiteren Schicht (Fasermatte) von P(NIPAM), mit allen in der gleichen Orientierung befindlichen Fasern, besteht. Der Bewegungsvorgang dieses Aktuators ist durch die Temperatur als auch durch die Ausrichtung der zwei Schichten zueinander abhängig, allerdings nicht reversibel. Mithilfe mathematischer Simulationen wurde die seltene Kombination einer anistropisch thermischen Expansion und gleich großer elastischem anisotropen Modul dargestellt.
Im dritten Teil meiner Arbeit, wurde durch Kombination einer Schicht (Fasermatte) elektrogesponnener P(NIPAM-AA) Fasern ( ~ 905nm Durchmesser), welche thermo- und pH responsives Verhalten zeigen, in eine passive Matrix aus thermoplastischem Polyurethan eingebettet. Die Ausrichtung der P(NIPAM-AA)Fasern zeigt einen deutlichen Einfluss auf den Faltvorgang, weshalb die Fasern bis zu einem Anteil von maximal 98 % in der PU Matrix ausgerichtet wurden. Die so hergestellten Aktuatoren zeigten ein thermoresponsives Verhalten bei kleiner pH =7, allerdings nicht bei pH >7. Nichtsdestotrotz konnte bei pH<7 zeigt werden, dass bereits ein Aktuator mit einer Masse von 5,8 mg die Masse von 2,47 g (425-fache) durch Änderung der Temperatur anheben und wieder absenken kann.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass unsere Strategie der Herstellung von porösen Fasern um eine Richtungsorientierte Faltung zu erreichen nicht nur für die Beispiele von P(NIPAM) and P(NIPAM-AA) funktioniert, sondern auch auf weitere „smarte“ Polymere angewendet werden kann um die Vielseitigkeit von Polymeraktuatoren weiter zu erhöhen.