SUPERVISOR
Dariush Semnani,Hossein Fashandi
داریوش سمنانی (استاد راهنما) حسین فشندی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyyed vahid Ebadi
سیدوحید عبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Improving electrochemomechanical properties of nanofibrous electroactive actuators based on intrinsically conductive polymers
This study is aimed at developing polymeric actuators using nanofibrous structures made of conductive polymers and gaining insight into the associated phenomena and mechanisms. This roadmap was created due to high specific surface area and porosity provided by the nanofibrous structures both of which allow the ef?cient diffusion of ions and in turn enhance the performance of actuators. In this study, the design of experiments by using the response surface method was used to minimize the polyurethane nanofibers diameter. By electrospinning under optimum conditions, PU nanofibers with diameter of 221 nm were obtained. The chemical and electrochemical polymerization methods were used to synthesis polypyrrole conductive polymer on the surface of PU nanofibers. The effect of different variables including the concentration of the reactants, the time of the polymerization process and the type of dopant in the chemical method, as well as the amount of consumed charge, the polymerization temperature, the solvent and the type of dopant in the electrochemical polymerization on the final properties of nanofibers were investigated. The results indicated that using of lithium bis(trifluoromethanesulfone) imide dopant leads to polyurethane/polypyrrole nanofibers with the lowest surface resistivity in both chemical and electrochemical methods, i.e. 7.39 and 7.68 ?/?, respectively. Also, nanofibers produced using the propylene carbonate as solvent at temperature of -30.0 °C based on the electrochemical polymerization method, exhibited the lowest surface resistivity. Finally, after the production of samples under different conditions and methods, the electrochemical and electrochemo-mechanical properties of the bending actuators were investigated using cyclic voltammetry, coulo-voltammetric, dynamo-voltammetric and coulo-dynamic responses. The nanofibrous actuators produced by using the lithium bis(trifluoromethanesulfone) imide and lithium perchlorate dopants showed the highest and lowest bending actuation with angular displacement of 80 o and 160 o , respectively. It was also observed that the size of electrolyte ions can affect the ion exchange mechanism and the actuation properties of actuators. Using larger ions in a specific ion exchange mechanism results in greater bending movements. For example, using lithium bis(trifluoromethanesulfone) imide electrolyte solution instead of lithium chloride in the same potential range, increased the actuator bending displacement from 31 o to more than 250 o . Immersing in 0.1 M lithium bis(trifluoromethanesulfone) imide electrolyte solution, the produced nanofibrous actuator showed a remarkable bending displacement as high as 720° in a cycle potential ranging between -0.8 V and 0.8 V. Also, the nanofibrous actuators produced by the electrochemical polymerization method with consumed charges of 2.0, 3.0, 4.0 and 5.0 C showed the total bending actuation of 48 o , 153 o , 190 o and 225 o , respectively. Comparison the performance of nanofibrous actuators indicated that the bending movement of sample produced by electrochemical method, i.e. 185 o , is drastically greater than that of sample produced by chemical method, i.e. 80 o . The results also showed that regardless of production method, the produced actuators show a Faradaic behavior and their movement and speed are controlled by the consumed charges and the applied currents, respectively. In this study, two-stage polymerization of polypyrrole on the surface of polyurethane nanofibers was also investigated with the aim of coating the conductive polymer on the surface of entire fibers of electrospun layer by electrochemical method. The actuator produced by this method showed a remarkably enhanced performance with angular displacement of 550 o . Also, with the aim of reducing the potential drop along the length of actuators, the copper electroplating method was used to metalize the surface of polyurethane nanofibres and providing an electrical contact along the entire length of the layer. The surface resistivity of copper-electroplated nanofibers was decreased to 0.71 ?/?, which is about 260 times lower than that of the gold-sputtered specimen. The copper electroplating process improved the final performance of nanofibrous actuator.
این پژوهش با هدف توسعه دانش استفاده از ساختارهای نانولیفی ساخته شده از یک پلیمر رسانا در تولید محرکهای پلیمری و درک عمیق پدیده های حاکم پایه ریزی شده است. مبنای انتخاب این رهنگاشت، برخورداری ساختارهای نانولیفی از تخلخل و سطح مخصوص بسیار بالا است که موجب می شود سطح به مراتب بیشتری در اختیار یونهای موجود در محیط واکنش و همچنین مولکول های حلال قرار گیرد. بنابراین انتظار بهبود عملکرد محرکهای الکتروشیمیایی را، در ذهن تقویت می نماید. در این مطالعه در ابتدا از طراحی آزمایش با روش رویه پاسخ با هدف رسیدن به نانوالیاف پلی یورتان با کمترین قطر ممکن استفاده گردید. با استفاده از شرایط بهینه، نانوالیاف پلییورتان با قطر 221 نانومتر به دست آمد. به منظور تولید محرکهای نانولیفی از دو روش پلیمریزاسیون شیمیایی و پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی جهت سنتز پلیمر رسانای پلیپیرول روی سطح نانوالیاف پلی یورتان بهره گرفته شد. همچنین اثر متغیرهای مختلف شامل غلظت واکنشدهندهها، زمان فرآیند پلیمریزاسیون و دوپانت مورد استفاده در روش شیمیایی، میزان بار الکتریکی مصرفی، دمای پلیمریزاسیون، حلال مورد استفاده و نوع دوپانت در پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی روی خواص نهایی نانوالیاف تولیدی ازجمله مورفولوژی سطحی و خواص الکتریکی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از دوپانت لیتیم بیس (تری فلوئورو متان سولفون) ایمید منجر به تولید نانوالیاف پلی یورتان/پلی پیرول با کمترین مقاومت سطحی در هر دو روش شیمیایی و الکتروشیمیایی (به ترتیب برابر با 4/7 و ?/? 7/7) می گردد. همچنین نانوالیاف تولید شده بر مبنای پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی با استفاده از حلال پروپیلن کربنات و دمای °C 0/30- دارای کمترین مقاومت الکتریکی میباشد. درنهایت پس از تولید نمونهها تحت شرایط و روشهای مختلف، خواص الکتروشیمیایی و الکتروشیمیایی – مکانیکی محرکهای خمشی تولیدی با استفاده از آزمایشات ولتامری چرخهای، کولوولتامتری، دیناموولتامتری و کولودینامیکی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که محرکهای تولیدی با دوپانتهای لیتیم بیس (تری فلوئورو متان سولفون) ایمید و لیتیم پرکلرات در محلول الکترولیت 0/1 مولار لیتیم پرکلرات با جابجایی های زاویه ای برابر با 160 و 80 درجه ، به ترتیب بیشترین و کمترین میزان تحریک خمشی را دارا میباشند. همچنین مشاهده شد که اندازهیونهای محلول الکترولیت میتواند بهطورکلی ساز و کار تبادل یون یک پلیمر رسانا و درنهایت خواص تحریک محرک تولیدی را تحت تاثیر قرار دهد. در یک ساز و کار تبادل یون مشخص، استفاده از یون های بزرگتر منجر به تحریک خمشی بیشتر محرک می گردد. برای مثال استفاده از محلول الکترولیت لیتیم بیس (تری فلوئورو متان سولفون) ایمید درمقایسه با محلول لیتیم کلرید در یک دامنه پتانسیل یکسان، جابجایی زاویه ای محرک را از 31 درجه به بیش از 250 درجه افزایش داد. محرک نانولیفی تولیدی درون محلول الکترولیت لیتیم بیس (تری فلوئورو متان سولفون) ایمید در یک سیکل در محدوده پتانسیلهای 8/0- تا V 8/0 یک جابجایی زاویه ای قابل توجه 720 درجه ای از خود به معرض نمایش گذاشت. همچنین نتایج نشان داد که تحریک خمشی محرکهای نانولیفی تولیدشده در روش الکتروشیمیایی با بارهای مصرفی 0/2، 0/3، 0/4 و 0/5 کولن به ترتیب برابر با 48، 153، 190 و 225 درجه میباشد. مقایسهی عملکرد محرک نانولیفی تولیدی با روشهای پلیمریزاسیون شیمیایی و الکتروشیمیایی نشان داد که تغییر زاویهی محرک تولیدی با استفاده از روش الکتروشیمیایی برابر با 185 درجه و بیشتر از تغییر زاویه محرک تولید شده با روش شیمیایی یعنی 80 درجه است. محرکهای نانولیفی تولیدی با هر دو روش دارای رفتار فارادیک بوده و جابجایی زاویهای محرک تحت کنترل بار الکتریکی و سرعت آن تحت کنترل جریان الکتریکی اعمالی به محرک میباشد. در این پژوهش پلیمریزاسیون دو مرحلهای پلی پیرول روی سطح نانوالیاف پلی یورتان با هدف پوشش پلیمر رسانا روی سطح کل الیاف لایه با روش الکتروشیمیایی نیز مورد بررسی قرار گرفت. محرک تولیدی با استفاده از این روش یک عملکرد قابل توجه با تغییر زاویه 550 درجه ای از خود نشان داد. همچنین با هدف کاهش مشکل افت پتانسیل در طول محرک های پلیمری، از روش آبکاری الکتریکی مس به منظور فلزی کردن سطح نانوالیاف پلی یورتان و در نتیجه برقراری اتصال سرتاسری در طول لایه محرک تولیدی استفاده گردید. مقاومت سطحی نانوالیاف آبکاری شده با مس ?/? 7/0 به دست آمد که در مقایسه با نمونه با پوشش طلا حدود 260 برابر کمتر است. عملیات ایجاد اتصال سرتاسری در محرک نانولیفی با استفاده از فرآیند آبکاری مس منجر به بهبود عملکرد نهایی آن گردید.