Проекты

Создание мембраны для актуатора

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Прикладная химия. Материаловедение» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Нанотехнология
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1502
Предметы: Физика, Химия
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 04−05 апреля 2019 года

Актуальность

Актуаторы используются в космической промышленности, где очень важна масса комплектующих, но существующие на рынке актуаторы имеют большую массу, поэтому актуален вопрос о ее снижении.

Цель работы: создание оптимальной микропористой мембраны (электролитной полимерной пленки) для актуатора.

Задачи

1. Исследование влияния различных добавок на морфологию мембраны на основе поливинилиденфторида (ПВДФ).

2. Подбор состава для получения полимерной мембраны.

3. Изготовление мембраны.

4. Изготовление актуатора для проверки работоспособности мембраны.

Содержание работы

Для эксперимента были выбраны актуаторы на основе проводящих полимеров и проводящих гелей. Они имеют ряд преимуществ: низкие рабочие напряжения, способность развивать большую механическую силу при приложении низких напряжений (1-2 В), легкость и простота конструкции.

Особенности формирования мембран на основе ПВДФ

Был проведен эксперимент с мембранами на основе ПВДФ. ПВДФ является полукристаллическим полимером, обладающим высокой термической и химической стабильностью. ПВДФ нерастворим в большинстве органических растворителей. Поэтому из всех существующих методов формирования мембран для мембран на основе ПВДФ больше подходит метод инверсии фаз.

Морфология мембраны

Основной составляющей актуатора является мембрана. На проницаемость мембраны влияет ее морфология, а на нее влияет метод, с помощью которого мембрана была изготовлена. Размер пор в мембране и равномерность их распределения зависят не только от метода получения мембраны, но и от использованных добавок, от размера молекулы добавки, температуры, количественного соотношения добавки и полимера.

Добавки

В качестве добавок наиболее часто используются поливинилпироллидон (ПВП) и полиэтиленгликоль (ПЭГ). Еще одна добавка – это полиионная жидкость на основе солей имидазолия, синтезированная в лаборатории МГУ. Данная ПИЖ еще широко нигде не применяется. Авторы решили использовать ее в качестве добавки для изготовления полимерной мембраны. В итоге было использовано 4 добавки: ПЭГ40к, ПЭГ3к, ПВП и ПИЖ. Авторы сравнивали морфологию и свойства мембран, изготовленных на основе этих добавок.

Метод инверсии фаз

Микропористые полимерные мембраны были изготовлены по методу, основанному на инверсии фаз.

Вначале авторы смешивали полимер, который является основой мембраны, добавку и растворитель с помощью магнитной мешалки при температуре 1000С примерно 1 час. Потом дегазировали получившийся раствор при помощи вакуумного насоса и фильтровали с помощью шприцев, выливали отфильтрованный раствор в чашку Петри. Затем ставили в печь при 800С, выравнивали положение чашки Петри с помощью «уровня» и оставляли в печи до полного испарения растворителя. При повышении температуры растворитель испаряется. Тогда концентрация полимера и добавки увеличивается. Далее осаждается полимер, образуя твердую фазу. При этом образуется система, состоящая из двух фаз. Вследствие разницы энергий поверхностей этих фаз они расслаиваются таким образом, что фаза добавки образует множество пузырьков в твердой фазе полимера. При определенной концентрации добавки число пузырьков настолько велико, что они сливаются в канальцы. На последнем этапе растворитель окончательно испаряется, а добавка образует твердую фазу. Получается система из твердой фазы полимера с канальцами твердой фазы добавки. Полученную пленку авторы доставали из печки и вымывали растворителем добавку.

Выводы

В итоге работы авторы выяснили, какая добавка лучше всего подходит для получения оптимальной мембраны для изготовления актуатора.

Мембрана, изготовленная с помощью полиионной жидкости, подходит для изготовления актуатора, так как она получилась пронизанной связанными между собой канальцами. Кроме того, она эластичная.

Мембрана, изготовленная с помощью полиэтиленгликоля, не подходит для изготовления актуатора, так как она получилась хрупкая.

Мембрана, изготовленная с помощью поливинилпирролидона, не подходит для изготовления актуатора, так как добавка не вымылась.

Перспективы использования результатов работы

Результаты работы могут быть использованы при разработке и оптимизации технологий для применения в космических аппаратах, так как изготовленный актуатор в сравнении с аналогами имеет намного меньший вес.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Химический факультет МГУ, факультет наук о материалах МГУ.

Награды/достижения

Открытая московская инженерная конференция школьников «ПОТЕНЦИАЛ» – 2 место.

Межрайонная конференция – 1 место.

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» – призёр.

Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – победитель.

Особое мнение

«Мы считаем, что работа на базе химического факультета МГУ дала нам большой опыт. Благодаря проекту «Академический класс в московской школе» мы смогли поработать в настоящей лаборатории. Это было очень увлекательно и познавательно, и мы бы хотели продолжить данную работу».