Контроль температуры и влажности для разработки экологически адаптивных материалов
Сосновые шишки распускаются только в сухую и теплую погоду, а ковыль раскрывает свои семена при высокой влажности воздуха. Природа полна экологически адаптивных материалов, и с тех пор она вдохновила многих людей на создание таких материалов. Например, в области строительной инженерии приводы, зависящие от температуры и влажности, являются ключом к интеллектуальным фасадам и крышам, которые могут реагировать на изменение погодных условий.
Два ключевых параметра - температура и влажность - играют ключевую роль в модификации чувствительных товарных материалов. До сих пор одновременное взаимодействие температуры и влажности на адаптивные структуры было менее изучено. Недавно Верпаален и др. создали двухслойные актуаторы на тепло/влажность с двойным откликом и исследовали их двойной отклик к изменениям влажности и температуры.
В данной работе исследователи создали бислойные актуаторы двойного отклика, объединив чувствительный к влажности слой полиамида 6 (ПA6) и чувствительное к температуре покрытие на основе жидкокристаллической сетки (LCN). Самовыравнивание LCN было проверено с помощью поляризованной инфракрасной спектроскопии. Предварительно изогнутая форма бислойных актуаторов объясняется тем, что порядок слоя LCN увеличивается и расширяется вдоль направления выравнивания из-за процесса охлаждения во время изготовления.
Двойственная чувствительность к изменениям влажности и/или температуры была продемонстрирована путем воздействия на материал четко определенной температуры и влажности. Двойные слои демонстрировали различное поведение при изгибе. При низкой относительной влажности (5% RH) угол изгиба постоянно составлял около -50° даже при увеличении температуры от +25 °C до +83 °C (красные точки).
Но при высокой относительной влажности (80% RH) угол изгиба резко уменьшился с +50° до -50° при увеличении температуры с +28 °C до +62 °C (красные кружки). При постоянной температуре (20 °C) угол изгиба увеличивался от -50° до +75° по мере увеличения относительной влажности от 7 до 80 % (синие точки).
Такое поведение можно объяснить тем, что полиамид 6 (ПА6) включает аморфные и кристаллические блоки с полимерными цепями, взаимодействующими через межмолекулярные водородные связи, и свободные амидные группы, способные поглощать и десорбировать молекулы воды. При низкой влажности, при повышении температуры выше Tg(LCN) ∼49 °C, LCN претерпевает переход от стеклообразного к резиноподобному материалу. Расширение и сжатие слоя LCN происходит за счет меньших конформационных ограничений. Однако LCN на внешнем диаметре кривизны не смог согнуть гораздо более толстый слой ПA6 (красные точки). При высокой влажности слой ПA6 связывал значительное количество влаги, еще больше размягчаясь и расширяясь или сжимаясь.
Генератор и контроллер влажности
Генераторы влажности серии HGC позволяют надежно контролировать относительную влажность воздуха в диапазоне от 5 % до 90 % (от 5 °C до 85 °C) в небольших измерительных камерах DataPhysics Instruments или других поставщиков. Они способны генерировать сухой воздух без внешней подачи газа под давлением благодаря внутреннему регенерируемому резервуару с осушителем. В сочетании со встроенной системой нагрева воды возможен точный контроль уровня влажности. Благодаря встроенному сенсорному экрану система может работать без дополнительного программного обеспечения и сразу готова к использованию.
Авторам удалось разработать бислойные актуаторы с двойной реакцией, чувствительные к изменениям влажности и температуры. Они продемонстрировали различное поведение бислоев PA6/LCN на изгиб, управляя изменениями температуры и влажности окружающей среды. Ожидается, что бислои PA6/LCN окажут огромное влияние на современное производство экологически адаптивных материалов и будут иметь потенциальные перспективы для различных применений.
В данном исследовании использовался генератор и контроллер влажности HGC 30. Более подробная информация приведена в оригинальной публикации: