表面に微細パターンを施したポリ塩化ビニルゲルを使用した蠕動マイクロポンプ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22608 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ゲルを使用したポンプを紹介した。 PVC ゲルは柔軟性があり、構造が単純で、100 ～ 1000 V の範囲の電圧で大きな変形を示すため、マイクロポンプに適しています。 本研究では、厚さ方向への積極的な変形を促進する表面パターンを有するPVCゲルシートをポンプの作製に採用した。 この目的を達成するために、PVC ゲル シートを 3 組のアノード電極とカソード電極の間に挟み込み、その後、これらの電極に電圧を順次印加してゲル シートの蠕動変形を発生させ、液体を押して一方向の流れを作り出しました。 異なる表面パターンを持つ PVC ゲル シートを使用してさまざまなポンプを作製し、ポンプの特性を評価しました。 ポンプの外形寸法は 35 mm × 25 mm、厚さ 4 mm で、総体積は 3.5 × 103 mm3 に相当します。 その結果、高さ174μmのピラミッド型ゲルシートを用いて作製したポンプは、印加電圧800V、駆動周波数3Hzで224.1μL/minの流量を発生することがわかった。 この実測値は、スマートマテリアルをベースとした既存のポンプと同等以上です。

ポンプは流体駆動システムの基本要素であり、医療、生物学、化学、ロボット工学の分野で幅広い用途に使用されています。 ここ数十年、外部刺激に反応して自身を変形できる材料であるスマート材料の使用が、ポンプを構築する方法として広く研究されてきました。 これは主に、従来のポンプと比較して構造が単純であり、サイズの拡張が可能であることに起因すると考えられます1、2、3、4。 そこで、スマートマテリアルをベースとした様々なポンプが開発されてきました。 これらのスマートマテリアルには、形状記憶合金 (SMA)5、6、7、圧電セラミックス (PZT)8、9、誘電エラストマー (DE)10、11、12、13、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)14、イオン性ポリマー金属複合材料 ( IPMC）15、16、17、18、および導電性ポリマー（CP）19。

ポリ塩化ビニル (PVC) ゲルは、スマートな素材としてポンプに有望な機能を示します。 PVC ゲルは通常、PVC 樹脂と液体可塑剤 (アジピン酸ジブチルなど) を混合することによって合成され、通常はシート状の形状をしています 20、21、22。 PVCゲルシートを2つの電極で挟み、電極間に電位差を加えると、ゲルが正極側に引き寄せられて変形します。 この変形は、マイナス側からの電荷注入とそれに続くプラス側への可塑剤の移動の結果です21、22、23。 PVC ゲルは柔らかく、構造が単純で、100 ～ 1000 V の範囲の電圧で大きな変形 (例: 12% 収縮歪み 24) と応力 (例: 5.26 kPa 24) を示します 21,23。 電極間の漏れ電流は平方ミリメートルあたり数十ナノアンペアと言われています22。 これらの特徴により、PVC ゲルは、人工筋肉モジュール 24、グリッパー 25、人間補助装置 26 など、さまざまな装置 22 に適用されています。 PVC ゲルはさまざまなデバイスに適用されていますが、私たちの知る限り、ポンプの製造に PVC ゲルを使用した研究はありません。

この研究では、ポンプ装置における PVC ゲルの有効性を調査するために PVC ゲルポンプを開発しました。 開発したポンプは、PVCゲルシートの蠕動変形により液体の連続的な流れを生成することができました。 シートの蠕動変形は、構造内の複数の電極に電圧を印加することによって達成されました。 今回使用したPVCゲルシートの表面には微細なパターンがあり、液体の効率的な移動が可能になると期待されています。 異なる微細パターンを持つさまざまな PVC ゲル シートが製造され、ポンプに実装され、固定電圧での蠕動サイクルの駆動周波数の関数としての流量の観点からその性能が特性評価されました。