Перистальтический микронасос с использованием поливинилхлоридных гелей с микроузорчатой ​​поверхностью.

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 22608 (2022) Цитировать эту статью

898 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

В данной статье представлен насос, использующий гель из поливинилхлорида (ПВХ). Гели ПВХ податливы, имеют простую структуру и демонстрируют большую деформацию при напряжениях в диапазоне 100–1000 В, что делает их пригодными для использования в микронасосах. В данном исследовании для изготовления насоса был использован лист геля ПВХ с рисунком поверхности, усиливающим активную деформацию в направлении толщины. С этой целью лист геля ПВХ был помещен между тремя наборами анодных и катодных электродов, после чего к этим электродам последовательно подавалось напряжение для создания перистальтической деформации листа геля, выталкивая таким образом жидкость и создавая однонаправленный поток. Различные насосы были изготовлены с использованием гелевых листов ПВХ с различным рисунком поверхности, и насосы были охарактеризованы. Насосы имели габаритные размеры 35×25 мм при толщине 4 мм, что соответствует общему объему 3,5×103 мм3. Результаты показали, что насос, изготовленный с использованием гелевого листа с пирамидальным рисунком высотой 174 мкм, генерировал скорость потока 224,1 мкл/мин при приложенном напряжении 800 В и частоте возбуждения 3 Гц. Это наблюдаемое значение сравнимо или лучше, чем у существующих насосов на основе интеллектуальных материалов.

Насосы являются основным элементом систем с жидкостным приводом, которые используются в широком спектре приложений в области медицины, биологии, химии и робототехники. В последние десятилетия в качестве метода создания насосов широко исследуется использование «умных» материалов, то есть материалов, которые могут деформироваться в ответ на внешние раздражители. В основном это можно объяснить их более простой конструкцией по сравнению с обычными насосами, что позволяет масштабировать их по размеру1,2,3,4. Соответственно, были разработаны различные насосы на основе интеллектуальных материалов. К таким «умным» материалам относятся сплавы с памятью формы (SMA)5,6,7, пьезоэлектрическая керамика (PZT)8,9, диэлектрические эластомеры (DE)10,11,12,13, поливинилиденфторид (PVDF)14, ионные полимерные металлокомпозиты ( IPMC)15,16,17,18 и проводящие полимеры (CP)19.

В качестве интеллектуального материала гель поливинилхлорида (ПВХ) демонстрирует многообещающие свойства для насосов. Гели ПВХ обычно синтезируются путем смешивания смол ПВХ и жидких пластификаторов (например, дибутиладипата), и они обычно имеют листовидную форму20,21,22. Когда лист геля ПВХ помещается между двумя электродами и между ними прикладывается разность потенциалов, гель притягивается и деформируется в направлении положительного электрода. Эта деформация является результатом инъекции заряда с отрицательной стороны с последующей миграцией пластификатора на положительную сторону21,22,23. Гели ПВХ мягкие, имеют простую структуру и демонстрируют большие деформации (например, 12% деформации сжатия24) и напряжения (например, 5,26 кПа24) при напряжениях в диапазоне 100–1000 В21,23. Говорят, что ток утечки между электродами составляет несколько десятков наноампер на квадратный миллиметр22. Благодаря этим свойствам гели ПВХ применяются в различных устройствах22, включая модуль искусственных мышц24, захваты25 и вспомогательные устройства для человека26. Хотя гели ПВХ применялись в различных устройствах, насколько нам известно, исследований по использованию гелей ПВХ для изготовления насосов не проводилось.

В этом исследовании мы разрабатываем гелевые насосы из ПВХ, чтобы исследовать эффективность гелей ПВХ в насосных устройствах. Разработанный насос был способен генерировать непрерывный поток жидкости за счет перистальтической деформации листа геля ПВХ. Перистальтическая деформация листа достигалась путем приложения напряжения к нескольким электродам в структуре. Поверхность гелевого листа ПВХ, использованного в этом исследовании, имела микроузор, который, как ожидается, обеспечит эффективное движение жидкости. Были изготовлены и внедрены в насос различные листы ПВХ-геля с различными микроузорами и охарактеризованы их характеристики по скорости потока в зависимости от частоты возбуждения перистальтического цикла при фиксированном напряжении.