Fabricación de compósitos elastoméricos conductores para aplicaciones en actuadores blandos y sensores

Abstract

Los polímeros electroactivos (EAP s) son materiales inteligentes capaces de responder ante campos eléctricos de una forma determinada. En particular, dos EAP s que han ganado relevancia en los últimos años, son los actuadores de elastómero dieléctricos (DEA s) y sensores capacitivos elásticos (DES s), dichos EAP s se benefician de tener una alta constante dieléctrica y bajo módulo de Young, mientras que sus electrodos deben ser elásticos, suficientemente conductores, a la vez que posean buena adherencia, elementos necesarios para el correcto funcionamiento de los EAP s. El objetivo de este trabajo es desarrollar compósitos elastoméricos para su uso como electrodos reutilizables en DEA s, aplicados a robótica blanda en forma de músculo artificial y, como elastómeros dieléctricos y electrodos en DES s, aplicados en sensores de movimiento humano. La base de los compósitos es Ecoflex 00-30 (E30) y a modo de inclusiones, grasa conductora (GC) debido a su carácter líquido y, nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) por su alta conductividad. Los resultados muestran que la GC permite aumentar la conductividad, constante dieléctrica y adhesión de los compósitos, a la vez que se reduce su módulo de Young y esfuerzo de rotura, pero manteniendo su extensibilidad. Por otro lado, la adición de GC y MWCNT genera un drástico aumento de la conductividad, pero a costo de un curado incompleto del E30. Se determinaron las condiciones de pre-estiramiento óptimas de los DEA s según los modos equibiaxial, biaxial, uniaxial y biaxial híbrido. Al utilizar Ecoflex 00-30 y 13% de grasa conductora (E30/GC 13%) como electrodo, se obtuvieron las mismas actuaciones que con GC a un mismo voltaje. Además, el E30/GC 13% presentó un comportamiento prometedor como electrodo reutilizable, al mantener tanto adhesión como actuación invariante frente a ciclos de adhesión y desprendimiento. Por último, el nuevo electrodo se integró en un DEA acoplado a un brazo artificial, emulando el rol del músculo del bíceps, lo que permitió un giro del brazo de hasta 19,6° de forma reversible y controlada. Por otro lado, el compósito a base de Ecoflex 00-30, 9% de grasa y 2,5% de nanotubos de carbono (E30/GC 9%/MWCNT 2,5%), expuso una alta adhesividad, lo que permitió obtener un mejor desempeño como electrodo en DES s que la GC. Al utilizar E30 con contenidos de GC entre 1 a 10% como dieléctrico, se obtuvieron DES s de extensibilidad mayor al 500%, con factores de gauge capacitivos entre 0,41 y 0,54, además de tener buena reversibilidad y reproducibilidad. Se fabricó un sensor de flexión dactilar utilizando E30/GC 10% como dieléctrico, el que fue capaz de sensar satisfactoriamente la flexión y extensión total del dedo índice con un error de no más de 1 pF. Por último, se fabricaron dos sensores piezorresistivos a base de E30/GC 13% y E30/GC 9%/MWCNT 2,5%, con factores de Gauge de 10 - 373 y 2,5 respectivamente, destacando el primero por su alta sensibilidad y el segundo por su bajo voltaje de operación. Por lo tanto, debido a los prometedores resultados obtenidos, los compósitos con GC como relleno, son considerados con alto potencial de investigación al ser un tópico poco reportado, además de ser idóneos para circuitos flexibles en EAP s, en particular en robótica blanda y sensores de movimiento.