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具有表面微图案的PVC凝胶蠕动微泵
2023-01-07 21:26:45   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

研究人员开发的PVC凝胶泵由夹在三组电极之间的PVC凝胶片组成。上电极和下电极分别用作正电极和接地极(负电极)。正电极被固定在3D打印部件内部,外边缘被粘合到3D打印部件的凝胶片被放置在正电极上。

聚氯乙烯(PVC)凝胶作为一种智能材料,在微泵领域显示出良好的应用前景。PVC凝胶柔软,结构简单,在100-1000V的电压范围内表现出较大的形变(如12%的收缩应变)和应力(如5.26kPa)。由于这些特性,PVC凝胶已被应用于各种装置,包括人造肌肉模块、夹持器和人类辅助装置。

据麦姆斯咨询报道,近日,日本电气通信大学(The University of Electro-Communications)报道了一种使用PVC凝胶的微泵。将PVC凝胶片夹在三组阳极和阴极电极之间,之后将电压依次施加到这些电极上,以产生凝胶片的蠕动变形,从而推动液体并产生单向流动。使用具有不同表面图案的PVC凝胶片制造了各种泵,并对其进行了表征。泵的外形尺寸为35mm × 25mm,厚度为4mm,对应总体积为3.5 × 10³mm³。结果表明,使用174μm高的金字塔图案凝胶片制造的泵在800V的外加电压和3Hz的驱动频率下可产生224.1µL/min的流速。这一结果与基于智能材料的现有微泵相当,甚至更好。

研究人员开发的PVC凝胶泵由夹在三组电极之间的PVC凝胶片组成。上电极和下电极分别用作正电极和接地极(负电极)。正电极被固定在3D打印部件内部,外边缘被粘合到3D打印部件的凝胶片被放置在正电极上。凝胶片的粘性确保负电极附着到凝胶片顶部。负电极(每个0.34 g)在厚度方向上向凝胶片施加预应力,使得凝胶和正电极总是接触。可以通过改变负电极的重量来调整预应力。将硅胶管连接到该结构上,以确保液体通过正电极和凝胶片之间的区域。

PVC凝胶微泵的整体结构

PVC凝胶微泵的整体结构

当电极处于循环激活时,PVC凝胶泵可以产生液体的单向流动。重复相同的泵送循环可实现PVC凝胶片的连续蠕动变形,以在一个方向上输送液体。

 PVC凝胶微泵的工作原理

PVC凝胶微泵的工作原理

在本研究中,在PVC凝胶片的表面上创建了微图案,并且考虑了两种图案:金字塔图案和山脊图案。金字塔图案由高174µm、底250µm的四方金字塔组成。山脊图案由宽100µm的山脊组成,该图案采用两种不同的高度(174µm和78µm)。每个凝胶片的总高度为630µm。本研究考虑了不同的微图案和高度,以研究几何形状对泵送性能的影响。表面微图案的存在使得能够在PVC凝胶片和正电极之间产生间隙,而无需精确定位。此外,还有望对通过的液体进行整流。

微泵中使用的PVC凝胶片的几何形状

微泵中使用的PVC凝胶片的几何形状

研究人员使用具有不同表面图案的PVC凝胶片制造了各种微泵,并且表征了它们在流速方面的性能。结果表明,使用174μm高的金字塔图案的凝胶片制造的微泵在800V的施加电压和3Hz的驱动频率下产生了224.1L/min的流速。所开发的PVC凝胶泵的性能与基于其他智能材料的微泵相当,甚至更好,表明PVC凝胶在微泵中的高度适用性和潜力。

 具有不同微图案的PVC凝胶微泵在流速方面的性能研究

具有不同微图案的PVC凝胶微泵在流速方面的性能研究

总之,研究人员开发了一种PVC凝胶微泵,并证实了PVC凝胶在微泵装置中的适用性。此外,结果表明微图案的几何形状是PVC凝胶泵的重要设计参数,并且图案的优化将提高泵送性能。因此,未来的工作将集中于对具有不同几何形状表面微图案的PVC凝胶微泵进一步表征,同时考虑实验结果揭示的流速和驱动频率、电极的激活顺序、施加电压的大小以及波形类型等因素。通过研究致动和泵送特性之间的关系,可获得不同微图案的致动性能(例如位移和阻力),有望为PVC凝胶微泵的设计带来启示。为了推进这些实验,将使用市售的流量传感器代替当前的方法(气泡飞行时间)。此外,可以优化整个泵的设计,例如,增加活性表面积,即相对电极重叠的区域,以增加每个泵送循环的液体量。减小PVC凝胶片的总厚度和改变材料性质可以实现较低的电压,从而提高装置的能量效率。

论文信息:https://www.nature.com/articles/s41598-022-27226-3

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