کاربرد پلی‌یورتان و کامپوزیت‌ های آن در صنایع الکترونیک (بخش اول)

اثرات حافظه شکلی با توجه به نوع محرکی که برای ایجاد آن استفاده می‌شود به دسته‌های زیر تقسیم‌بندی می‌گردند:

• پاسخگو به دما (Thermoresponsive)
• حساس به الکتریسیته (Electrically triggered)
• پاسخگو به نور (Light-Responsive)
• پاسخگو به میدان مغناطیسی (Magnetically triggered)
• اثر حافظه شکلی ناشی از حلال یا رطوبت (Moisture/Solvent driven)
• محرک چندگانه (Multistinuli-Responsive)

سنسورها یا حسگرها

از آنجایی که ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی پلیمرها را می‌توان در طیف وسیعی تنظیم کرد، کاربرد پلیمرها در دستگاه‌های اندازه‌گیری الکترونیکی پیشرفته مانند سنسورها روزبه‌روز در حال افزایش است. در طول چند دهه گذشته، پلیمرها با تقلید از اندام‌های حسی طبیعی، در زمینه حسگرهای مصنوعی به رسمیت شناخته شده‌اند. پلیمرها و کامپوزیت‌های آنها با جایگزینی سنسورهای کلاسیک مانند نیمه‌هادی‌ها، اکسیدهای فلزی نیمه‌هادی، الکترولیت‌های جامد و غشاهای یونی، نقش اصلی را در حسگرهای گازی، حسگرهای pH، حسگرهای انتخابی یونی، حسگرهای رطوبت، دستگاه‌های حسگر زیستی و غیره ایفا کرده‌اند. این حسگرها گزینش‌پذیری بهتر و اندازه‌گیری‌های سریعی دارند. اخیراً، پلی‌یورتان و کامپوزیت‌های آن در سنسورها بعنوان جزء فعال (شرکت در مکانیسم‌های حسگری) و یا بعنوان جزء غیرفعال (تثبیت جزء حسگر) استفاده می‌شوند.

محرک‌های بر پایه پلی‌یورتان

محرک‌ها مواد یا دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند در پاسخ به یک محرک خارجی مناسب، تغییر شکل یا تغییر مکانیکی داشته باشند. محرک‌های پلیمری بدلیل هزینه کم، فرایندپذیری آسان، امکان تغییرشکل‌های بزرگ و شباهت آنها به خواص عضلات انسان، در چند دهه اخیر توجه محققان را به خود جلب کرده‌اند. پلی‌یورتان و کامپوزیت‌های آن بطور خاص، جایگاه خود را بعنوان امیدوارکننده‌ترین محرک‌های پلیمری در بسیاری از کاربردها از جمله عضلات مصنوعی و رباتیک تثبیت کرده‌اند. بسته به محرک مورد استفاده برای تحریک، آنها می‌توانند به عنوان محرک‌های الکتریکی، نوری، حرارتی، شیمیایی و پنوماتیکی عمل کنند.

1. محرک الکتریکی. پلی‌یورتان از طریق دو مکانیسم کلی به محرک الکترومکانیکی پاسخ می‌دهد. اثر الکترواستریکو^۱۲ اثر تنش ماکسول^۱۳.

• اثر الکترواستریک: کوپلینگ مستقیم بین قطبش الکتریکی و کرنش مکانیکی، که به دلیل میکروساختار جدایش فازی پلی‌یورتان، حدود ۸۵% از کل تحریک را تشکیل می‌دهد.
• اثر تنش ماکسول: جاذبه الکترواستاتیکی بین الکترودهای با بار مخالف، که کمتر از ۱۵% از تحریک را تشکیل می‌دهد.

معمولا پلی‌یورتان‌های برپایه پلی‌استر بدلیل ساختار شیمیایی، در این زمینه بهتر از انواع پلی‌اتری عمل می‌کنند. به منظور کاهش ولتاژ محرک و بهبود عملکرد، در بسیاری از مواقع از مواد پرکننده همچون انواع پرکننده رسانا مانند کربن بلک، نانولوله‌های کربنی و گرافن یا پرکننده‌های فروالکتریک استفاده می‌شود.

1. محرکهای پاسخگو به حرارت^۱۴ و حساس به pH. پلی‌یورتان‌های پاسخگو به حرارت عمدتا برای کاربردهای حافظه شکلی استفاده می‌شوند؛ در این کاربردها، گرمایش از طریق روش‌های مختلفی از جمله گرمایش مقاومتی یا گرمایش القایی مغناطیسی انجام می‌شود. در برخی از محرک‌های خاص پلی‌یورتان، از گرمایش مستقیم برای فعال کردن مکانیسم تحریک استفاده می‌شود. محرک‌های حساس به pH برپایه پلی‌یورتان برای دارورسانی، توجه قابل توجهی را در حوزه زیست‌پزشکی به خود جلب کرده‌اند. بعنوان مثال یک محرک حساس به pH برای دارورسانی با وارد کردن حلقه‌های پیریدین به زنجیره اصلی پلی‌یورتان توسعه داده شده است. در این محرک، مکانیسم تحریک pH بدلیل تشکیل پیوند هیدروژنی بین اتم نیتروژن روی حلقه پیریدین و پیوند H-N یورتان در محیط‌های خنثی یا قلیایی است. شکستن پیوندهای هیدروژنی در محیط اسیدی به دلیل پروتونه شدن حلقه پیریدین، تغییر شکل را معکوس می‌کند. این نوع رفتار تحریک برای دارورسانی بسیار مناسب است زیرا مستقل از دما بوده و فقط به pH بستگی دارد.
2. محرکهای نوری. محرک‌های نوری بدلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، مانند تحریک بی‌سیم و قابلیت کنترل از راه دور، در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این نوع محرک‌ها در حوزه زیست‌پزشکی که تحریک غیر از الکتریکی ترجیح داده می‌شود، بسیار مفید هستند. نانوکامپوزیت‌های پلی‌یورتان که می‌توانند توسط نور مادون قرمز تحریک شوند، پتانسیل بالایی برای استفاده در این زمینه دارند. افزودن پرکننده‌های رسانا مانند نانولوله‌های کربنی یا گرافن می‌تواند ویژگی‌های جذب IR پرکننده و خواص مکانیکی منحصربه‌فرد پلی‌یورتان را با هم ترکیب کند. پرکننده‌ها به عنوان یک واحد انتقال انرژی عمل می‌کنند که انرژی نور را جذب کرده و به PU منتقل می‌کنند؛ پلی‌یورتان همچون واحد سوئیچ مولکولی عمل کرده و تغییر شکل مکانیکی در آن رخ می‌دهد.

با توجه به ویژگی‌های جذب IR عالی CNTها، مطالعات زیادی در مورد تحریک نوری PU پر شده با CNT انجام شده است. بعنوان مثال تحریک نوری بهبود یافته در کامپوزیت PU/CNT تحریک شده از راه دور که با استفاده از TPU تجاری با دمای انتقال شیشه پایین تهیه شده است، مورد بررسی قرار گرفته است. کامپوزیت پلی‌یورتان پرشده با ۱% وزنی CNT که تا ۳۰۰% تحت کرنش اولیه قرار گرفته است، با تابش IR منقبض شده و تقریباً ۱۹ ژول برای بلند کردن وزنه‌ای به وزن ۶۰ گرم تا ۳.۳ سانتی‌متر با نیرویی در حدود ۵۸۸ نیوتن اعمال کرد؛ درحالیکه پلی‌یورتان خالص -که در برابر نور IR شفاف است- هیچ تحریکی در برابر تابش IR نشان نداد. در دهه گذشته، گرافن و مشتقات آن بعنوان رقیبی برای CNTها در محرک‌های نانوکامپوزیتی پلیمری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. گرافن با خواص الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و نوری منحصربه‌فرد، کارایی خود را برای استفاده بعنوان واحد انتقال انرژی در محرک‌های پلیمری تحریک‌شده با نور ثابت کرده است.

1. محرک‌های پنوماتیکی. در برخی کاربردهای خاص مانند دستگاه‌های مراقبت پرستاری یا عضلات مصنوعی برای افراد مسن که به محرک‌های سبک و انعطاف‌پذیر نیاز دارند، محرک‌های پنوماتیکی نسبت به محرک‌های الکتریکی ترجیح داده می‌شوند. پلی‌یورتان‌ها در این کاربردها جایگاه ویژه‌ای دارند؛ محرک‌های پنوماتیکی انعطاف‌پذیر برپایه پلی‌یورتان که در صورت تغییر شکل توسط نیروی خارجی نیز می‌توانند کار کنند، برای استفاده در سیستم‌های مراقبت پرستاری گزارش شده‌اند. نوع مشابهی از محرک عضله مصنوعی پنوماتیک با استفاده از پوششی از پلی‌یورتان حافظه شکلی نیز توسعه داده شده است. در مقایسه با محرک‌های پنوماتیکی مرسوم، این نوع محرک‌ها مزایای متعددی را از خود نشان دادند. در دماهای معمولی، این محرک‌ها می‌توانند به عنوان محرک‌های پنوماتیکی مرسوم عمل کنند؛ اما با استفاده از اثر حافظه شکلی پوشش پلی‌یورتانی، موقعیت اولیه محرک و جهت خم شده با گرمایش ساده قابل تغییر است.