СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДЕФОРЛ\АЦИЕЙМАТЕРИАЛОВПОЛИМЕРНЫХ Советский патент 1972 года по МПК B06B1/02 

Изобретение отиосится к области технических приложений механо-хиыического эффекта.

Известен способ унравления деформацией механо-химически реактивиых полимерных материалов (волокон, пленок и т. п.), чувствительных к изменению концентрации иоиов водорода, ионов металлов или переменным окислительно-восстановительным средам, который заключается в осуществлении поочередного контакта нолимерных материалов с двумя жидкостями, одна из которых вызывает деформацию сокращения, а другая - деформацию удлинения полимерного материала. Способ применяют в двух вариантах: 1) нотоки различных по де/ютвию на полимерные структуры жидкостей поочередно транспортируют из раздельных резервуаров к этим структурам и поочередно омывают их; 2) полимерные структуры в виде кольцевых волокон транспортируют относительно двух различных по действию жидкостей, запасенных в двух открытых резервуарах, и участки кольцевых волокон, входя в тот и другой резервуар, поочередно контактируют с указанными жидкостями.

В известном способе используют механохимически реактивные полимерные материалы и структуры, обратимо реагирующие на изменение концентрации водородных ионов в

окружающей жидкой среде, т. е. на степень рН среды.

Такие полимерные волокна (иленкн) называются еще рН-искусственными мышцами.

Недостатками известного снособа унравления деформацией механо-химически реактивных полп.мерных материалов являются: необходимость транспортирования жидких сред НЛП полимерпых материалов, сложность арматуры для реализации транснортирования жидкостей от резервуаров к иолимерным cipyKTyjiaM или полимерных структур к резервуарам с жидкостями, а также необходимость применения не менее двух резервуаров с запасом различающихся жидкостей.

Целью настоящего изобретеиия является управление величиной деформации полимерных материалов, ианример волокон, пленок и т. п. путем изменения концентращш ионов - инициаторов деформации за счет электрического воздействия. Эта цель достигается тем, что механо-химически реактивные ноли ерные матерналы, нанример волокна, иленки и т. п., размещают в приэлектродном диффузионном слое электрохнмической ячейк и подают управляющее электрическое напряжение на электроды этой ячейки.

происходит изменение концентрации нонов инициаторов, вызывающих изменение размеров полимерных структур, таким образом в виде окончательного эффекта получаем электрическое управление деформацией полимерных материалов.

Как известно, диффузионный слой возникает вблизи электродов электрохимической ячейки, если к электродам нриложеио электрическое наиряжение. Он может иметь толщину от долей миллиметра до нескольких сантиметров. В пределах диффузионного слоя концентрация неиндиффереитиых, т. е. нринимающих участие в реакции электроокислення и электровосстанавливаиня, ионов изменяется в нанравлении от электрода к средней зоне ячейки. При изменении приложенного к электродам иаиряжения концентрации неиидифферентных ионов в диффузионном слое изменяется не только в нространстве (в указанном выще направлении), но и во времени.

Следует нодчеркнуть, что концентрация даже неиндифферентиых ионов в средней зоне ячейки может оставаться неизменной, хотя приложенное напряжение измеияется. У анода и у катода концентрация иенндиффереитных ионов измеияется в ту или иную сторону, а в средней зоне ячейки концентрация этих ионов может сохраниться равной той средней концентрации, которая была в электролите до подачи нанряжения. Именно поэтому полимерные волокна (пленки) следует располагать в диффузиоппом слое, а пе в произвольной зоне ячейки.

Существенно и то, что волокна (пленкн) механически иагружеиы. Это нужно не только для отведения мехаиического усилия, развиваемого волокнами нри сокращении, но и для того, чтобы волокна находились в натянутом состоянии, не провисали и ие выходили из диффузионного слоя, в котором они размещены. Кроме того, предусматриваются зазоры между волокнами, чтобы был открыт доступ ионам и молекулам электролита к новерхностям электродов.

На поверхности электродов ионы, а в общем случае ионы при участии молекул электролита могут вступать в реакцию электроокисления или реакцию электровосстановления в количестве, определяемом величиной нанряжения. Когда подано электрическое нанряжение, то у поверхности электродов резко изменится концентрация неиндиффереитиых ионов. Вследствии диффузии концентрация неиндифферентных ионов начнет изменяться в пределах диффузионного слоя, в частности и в том сечении, где размещены полимерные волокна (нленки). Поскольку электрически неиндиффереитные ионы, содержащиеся в электролите, являются вместе с тем инициаторами деформации иолимерных волокон, изменение их концентрации в диффузионном слое повлечет за собой изменение размеров иолимерных волокон.

Для обеспечения обратимой электрической стимуляции сокращений и удлинений нагруженных механически реактивных волокон (нлсиок) в качестве рабочей среды в ячейке с размещенпЕлми в ней нолимерными волокнами может быть применен электролит, образующий с электродами обратимую окислительно-восстановительную электрохимическую систему, например хнмотронного тина.

Пример I. Волокна (нлепкн) нз ноливинилового снирта, молекулярно сшнтые нагреванием, имеющие толщину 0,001-0,03 см, отмоченные иредварительно в воде и нагруженные механически, размещают па расстояНИН 0,1 - 0,2 см от поверхности электрода, который будет служить анодом электрической ячейки, с зазорами между волокнами (пленками), ие меньшими их щирнны. Расстояние между электродами устанавливают в 2-3 см.

Материал электродов - инертные металлы. Электролит нриготавливают в виде буферного раствора в уксусной кислоте ацетата натрия с концентрацией 0,05-0,1 н. (при рН 5-6), добавляя ацетат меди до концентрации его в этом растворе 0,001 и.

Подавая, например, ступенчато нарастающее напряжение, но не превыщающее 0,5 в, с минутиой - двухминутпой выдержкой нри каждом значении напряжения, иолучаем необратимое, т. е. как-бы с «запомипанием царастающее с каждой ступенькой сокращение полимерных волокон (пленок). Здесь оговорена выдержка 1-2 мин нри каждом значении иапряжения нотому, что в сечении диффузионного слоя, отстоящем от новерхности

электрода на 0,1-0,2 см, концентрация ионов

меди изменится не сразу, а лищь но нроществии указанного времени.

Пример 2. Пленки из полиакриловой

кислоты и поливинилового спирта, молекулярио сшитые нагреванием, нейтрализованные на 20-40% едким натром, тех же размеров н нри тех же расстояниях, как и в примере 1, размещают у электрода, который будет служить анодом. Материал анода и катода - чистая медь. Электролит - водный раствор хлорной меди с 0,005 н. концентрацией. При подаче напряжения не превышающего 0,7- 0,8 в, концентрация соли у анода увеличивается, носкольку увеличивается концентрация ионов меди, вследствие выхода их из анода в раствор, и увеличивается концентрация ионов хлора из-за прнноса анионов к аноду. Пленки, реагирующие на новыщение

концентрации ионов двухвалентной меди, сокращаются. Это также пример одностороннего управления деформацией - деформацией сокращения. Пример 3. Коллагеновые волокна, обработанные хромом и формальдегидом, толщиной 0,01 см, механически иагруженные, размещают на расстоянии 0,1-0,2 см от поверхности электродов с зазорами между волокнами, не меньщими их толщины. Расстояние инертных металлов, устанавливают равным 1-2 см. Электролит нрнготавливают в виде 0,5-I н. концентрации водного раствора тетрайодртути (2) - кислого калия и 0,05- 0,1 н. концентрации трийодртути (2) - кислого калия. Эти вещества диссоциируют на одновалентные катионы калия, одновалер1тные анионы трийодртути (2) и двухвалентные анноны тетрайодртути (2). На электроды нодают знакопеременное нанряжение, но амнлнтуде не ирсвышающее 0,6 в. При таком нанряжении ионы калия (как и воды) инднфферентны к электрохимическим реакциям. Электрически неиндифферентнымн ионами, участвующими в реакциях электроокисления и электровосстанавливания на поверхностях электродов, являются ионы три- и тетрайодртути (2). На катоде ионы трнйодртути (2) нриобретают электроны и восстанавливаются в ионы тетрайодртути (2), а на воде нроисходит обратная реакция: ионы тетрайодртути (2) отдают электроны и, следовательно, окисляются до ионов трийодртути (2). В целом состав электролита не изменяется, но концен трация ионов трийодртути (2) возрастает в нрианодном диффузионном слое и уменьшается в нрикатодном диффузионном слое, а концентрация ионов тетрайодртути (2) изменяется в этих слоях в обратную сторону. Поскольку ионы тетрайодртути взяты с относительным избытком (их концентрация, как указано выще, в 10 раз больще), а концентрация ионов трииодртути мала, то существенно изменится именно концентрация ионов трнйодртути (2). Вместе с тем ионы трнйодртути (2) являются инициаторами обратимой деформации коллагеновых волокон. При увеличеини концентрацнц этих ионов волокна сокращаются, а нри уменьщен;1и удлиняются. Этот пример обратц.мого управления деформацией мехацо-химпческн реактнвных волокон. , волокна (нленкн) можно разместить как у аиода, так и у катода. В связи с медленностью диффузионных нроцессов нериод управляющего нанряжения должен быть свыше мннуты. Предмет изобретения Способ управления деформацией полимерных материалов, нанрнмер волокон, нленок и т. п., чувствительных к нзменению концентрации ионов водорода, ионов металла или переменнымокислительно-восстановительным средам, отличающийся тем, что, с целью управления величиной деформации иолимериых материалов иутем изменения концентрации ионов - ин1щиаторов деформацнн, за счет электрического воздействия, полимерные матерналы размещают в ириэлектродном диффуз юнном слое электрохнмнческой ячейки и нодают на ее электроды управляющее электрическое нанряжение.