Language
Country/Area
No result found
Von 1880 bis heute: Was ist die erstaunliche Entwicklung elektroaktiver Polymere?
Elektroaktive Polymere (EAPs) sind Polymere, die als Reaktion auf eine Stimulation durch ein elektrisches Feld ihre Größe oder Form ändern können. Die typischsten Anwendungen dieser Materialart sind Aktoren und Sensoren. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von EAPs besteht darin, dass sie großen Verformungen standhalten können, während sie großen Kräften ausgesetzt sind. In der Vergangenheit wurden Aktuatoren meist aus piezoelektrischen Keramikmaterialien hergestellt, die zwar großen Kräften standhalten konnten, sich aber oft um weniger als ein Promille verformten. In den späten 1990er Jahren zeigten Studien, dass einige EAPs Dehnungen von bis zu 380 % erreichen konnten und damit jeden Keramikaktor bei weitem übertrafen. Eine wichtige Anwendung von EAP in der Robotik ist die Entwicklung künstlicher Muskeln, weshalb elektroaktive Polymere oft als künstliche Muskeln bezeichnet werden.
Historisch gesehen begann die Untersuchung elektroaktiver Polymere im Jahr 1880, als Wilhelm Röntgen ein Experiment entwarf, um die Wirkung elektrostatischer Felder auf die mechanischen Eigenschaften von Naturkautschuk zu untersuchen.
Auf ein Gummiband, dessen eines Ende fixiert ist, wird eine elektrische Ladung aus der Luft aufgebracht und die Änderung seiner Länge beobachtet. 1925 wurde das erste piezoelektrische Polymer (Dielektrikum) entdeckt und diese Forschung legte den Grundstein für die Zukunft von EAP. Das Material wird durch Mischen von Carnabawachs, Harz und Bienenwachs und Abkühlen unter angelegter Gleichspannung hergestellt. Im Laufe der Zeit rückte auch die Reaktion von Polymeren auf Umweltbedingungen in den Fokus dieses Forschungsbereichs. Im Jahr 1949 zeigten Kacharsky et al., dass Kollagenfasern in sauren oder alkalischen Lösungen ihr Volumen verändern, was auch den Anstoß für die Forschung zu anderen Reizen gab.
1969 bestätigte Kawai, dass Polyvinylidenfluorid (PVDF) einen starken piezoelektrischen Effekt hatte, was das Interesse der Forscher an der Entwicklung anderer Polymere mit ähnlicher Wirkung weckte.
1977 wurden die ersten leitfähigen Polymere von Hideki Shiokawa und anderen entdeckt. Die Leitfähigkeit von Polyacetylen kann durch Dotierung mit Joddampf um acht Größenordnungen erhöht werden. Mit der Erfindung von Ionomer-Metall-Verbundwerkstoffen (IPMCs) Anfang der 1990er Jahre trat die Entwicklung von EAP in eine neue Phase. Bei diesem Material sind zur Verformung nur ein bis zwei Volt Spannung nötig, was zeigt, dass EAP ein größeres Anwendungspotenzial hat.
Im Jahr 1999 schlug Yousef Bar-Kohan die Idee vor, EAP-Roboterarme gegen Menschen antreten zu lassen, und der erste Wettbewerb fand 2005 auf einer Konferenz statt. Im Jahr 2002 produzierte das japanische Unternehmen Eamex das erste kommerzielle künstliche Muskelgerät EAP, einen Fisch, der selbstständig schwimmen konnte, was die Entwicklung von EAP in praktischen Anwendungen beschleunigte. Allerdings ist der tatsächliche Fortschritt der entsprechenden Technologien noch unbefriedigend. Von der DARPA in den 1990er Jahren geförderte Forschungen führten 2003 zur Gründung eines Unternehmens für künstliche Muskeln und 2008 zur industriellen Produktion.
Arten elektroaktiver Polymere
EAPs können anhand ihrer Struktur einfach in zwei Kategorien unterteilt werden: dielektrisch und ionisch.
Dielektrisches EAP
Bei dielektrischen EAPs wird die Betätigung durch elektrostatische Kräfte zwischen den Elektroden verursacht. Dielektrische Elastomere sind sehr dehnbar und verhalten sich wie ein Kondensator, dessen Kapazität sich bei Anlegen einer Spannung ändert.
Piezoelektrische Polymere
Diese Polymerklasse nutzt den piezoelektrischen Effekt zur Herstellung von akustischen Sensoren und Motorantrieben und verfügt aufgrund ihrer intrinsischen piezoelektrischen Reaktion über ein breites Anwendungsspektrum.
Flüssigkristallpolymer
Das Flüssigkristallpolymer der Hauptkette weist eine Kettenstruktur auf, die bei Temperaturschwankungen einzigartige mechanische Eigenschaften aufweisen kann und über potenzielle Anwendungen für mechanische Antriebe verfügt.
Ionisches EAP
Dieser Polymertyp wird durch die Verschiebung von Ionen innerhalb des Polymers angetrieben, wozu zwar nur wenige Volt, dafür aber eine relativ hohe elektrische Leistung nötig sind.
Zukünftige Entwicklungsrichtung
Während sich der EAP-Bereich noch in der Entwicklung befindet, müssen noch viele Herausforderungen bewältigt werden. Einerseits wird die Zuverlässigkeit von EAP in verschiedenen Umgebungen effektiv verbessert, indem die Leistung und Langzeitstabilität verbessert und eine wasserdichte Oberfläche entwickelt wird, um die Verdunstung von Wasser zu verhindern. Andererseits ist auch die Entwicklung thermisch stabiler EAPs zur Verbesserung ihrer Fähigkeit, dauerhaft bei höheren Spannungen zu arbeiten, ein zukünftiger Forschungsschwerpunkt.
Vor dem Hintergrund des kontinuierlichen Fortschritts bietet sich für die EAP-Technologie künftig die Chance, in immer mehr Anwendungsbereiche integriert zu werden, insbesondere an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Angesichts der Fortschritte in Materialwissenschaft und -technologie sowie der Entwicklung der Biomimetik-Technologie fragen wir uns unweigerlich, welche erstaunlichen Veränderungen elektroaktive Polymere in der Zukunft mit sich bringen werden.
