Trasduttori Polimerici. IPMC-Ionic Polymer Metal Composite. Ing. Elena Umana

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1 Trasduttori Polimerici IPMC-Ionic Polymer Metal Composite IP 2 C -Ionic Polymer -Polymer Composite Ing. Elena Umana

2 Cosa sono gli IPMC? La realizzazione di dispositivi di interesse in ambiti quale la robotica, le applicazioni aerospaziali, la protezione civile e la medicina richiede la sintesi e lo studio di nuovi materiali utilizzabili come sensori e attuatori. Gli Ionic Polymer Metal Composites (IPMCs) sono: materiali innovativi a basso costo morbidi e leggeri; sono biocompatibili; presentano interessanti fenomi di conversione elettromeccanica, quindi possono essere usati nella realizzazione di attuatori di movimento a bassa tensione di alimentazione (muscoli artificiali) o come sensori di movimento (è possibile la realizzazione di materiali intelligenti con proprietà di sensing e attuazione).

3 Cosa sono gli IPMC? IP Ionic Polimer: Perfluorinate Ionic-Exchange Membrane Nafion#117 (DuPont ) [-(CF 2 -CF 2 ) n (CF-CF 2 ) m -] O-CF-CF 2 -O-CF 2 -SO - 3 M + CF 3 ione positivo (catione) Ione libero: H +,Li +,Na + Gruppo fisso M Metal: Platino (generalmente) depositato su entrambe le superfici C Composite

4 Come sono fatti gli IPMC? Problemi attuali: problemi legati ai processi produttivi; mancano dimostratori in applicazioni reali.

5 Processo di fabbricazione Si deposita sul Nafion un sottile strato metallico in tre fasi: 1. scambio ionico tra gli ioni idrogeno e gli ioni platino; 2. riduzione; 3. diffusione degli ioni che hanno un numero di idratazione più alto rispetto al singolo idrogeno (ioni sodio Na+, ioni litio Li+, etc.)

6 From IPMC to IP 2 C Actuators IPMCs tranduce an applied voltage signal (along with the corresponding absorbed current) into a deflection and/or a force.

7 From IPMC to IP 2 C Sensors A bending deformation produces charges migration and hence a voltage signal that can be suitably collected.

8 A=wt w L c L t F t L s x z Models have been developed for IPMCs by using the Eulero- Bernoulli theory for the beam in cantilever configuration. From IPMC to IP 2 C s clamp t C L L L t d Y s I f Yt L s wt L L L d s I d clamp d s C L s w Y t d s i s L L L Y t d s v clamp t s

9 From IPMC to IP 2 C IPMCs suffer for a number of drawbacks: 1) The realization of electrodes via noble metals is expensive because of used materials and requires a time consuming chemical deposition technique. IP 2 C have been introduced, by researchers in this working group, that uses conducting polymers. They are: cheap; easier to be deposited; suitable for all-polymeric device realization.

10 From IPMC to IP 2 C Basic procedure to fabricate IP 2 Cs: 1. Sandblasting 2. Chemical cleaning with solvent or ionic liquid used 3. Organic conductor deposition through coating techniques Spin coating Drop casting Dip coating Solvent Evaporation Manufacturing procedure easier, faster and cheaper

11 From IPMC to IP 2 C Used conducting polymers are: Conductivity [S/cm] Materials Pedot:PSS Pani Poly-Pirrole Fe, Au, Cu, Ag SEM images of IP 2 C membranes Cross-Section View 6.236μm PEDOT:PS S NAFION PEDOT:PS S Tilted View NAFION Organic Conductor Trade Name PEDOT:PSS CLEVIOS PH 500 PEDOT:PSS CLEVIOS PHCV4 PEDOT:PSS CLEVIOS PH 510 PEDOT:PSS ORGACON EL-P 3040 PANI Polyaniline

12 From IPMC to IP 2 C IPMCs suffer for a number of drawbacks: 2) as actuators their performance is strongly depending on the quantity of solvent (generally water) and this leaves the device very quickly. Liquids with high molecular weight or ionic liquids have been proposed to alleviate such problem. We used the same approach for IP 2 C, obtaining devices with very long lasting times in air. Different solvents used inside Nafion membranes Solvent Solvent Ionic Liquid Deionized water Ethylene Glycol EmI Tf

13 From IPMC to IP 2 C Actuator measurements Input Voltage (V) Absorbed Current (A) Deformation (mm) s Waveform Generator GPIB interface Laser Proximity Sensor f(t) DAQ Load Cell Sensor measurements Displacement (mm) Blocking Force (N) Mechanical Vibration Generator d(t) IP 2 C i(t) Current Amplifier Sensing Current (A) s

14 From IPMC to IP 2 C Also for the case of IP 2 C models have been tested against experimental data. The actuator.

15 From IPMC to IP 2 C and the sensor Bode plot of experimental and modeled sensing transfer function -100 Predicted Experimental Magnitude [db] Experimental Predicted Power Spectrum Magnitude [db] Frequency [Hz] Experimental Predicted Frequency [Hz] Phase [deg] Power spectral density of experimental and predicted current signals Frequency [Hz]

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