Magnetic ionic liquid/polymer composites for printable sensors and actuators

Abstract

Num mundo governado digitalmente, intimamente ligado aos conceitos da Internet das Coisas e da Indústria 4.0, há necessidade de tecnologias de deteção e atuação universais e multifuncionais. Consequentemente, a procura pelo desenvolvimento de dispositivos flexíveis, leves, económicos e eficientes está a aumentar. Portanto, há uma necessidade crescente de explorar uma variedade de materiais inteligentes que tenham o potencial de responder a diferentes estímulos externos de maneira controlada e repetitiva. Polímeros eletroativos (PEAs) são adequados para o desenvolvimento de sensores e atuadores por a sua capacidade de gerar uma resposta elétrica quando estimulados externamente e viceversa. Frequentemente, os dispositivos baseados em PEAs incorporam materiais ativos como nanopartículas e nanofios para melhorar seu desempenho. No entanto, estas cargas apresentam tipicamente fraca dispersão e aglomeração. Os líquidos iónicos (LIs) oferecem uma alternativa promissora com vantagens como excelente dispersão e capacidade de serem adaptados para aplicações específicas devido à sua diversificada gama de espécies iónicas. O principal objetivo deste trabalho é investigar, adaptar e otimizar as propriedades de novos PEAs iónicos multifuncionais de alto desempenho. Estes PEAs são baseados em LIs magnéticos (LIMs) e diferentes matrizes poliméricas, como poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e copolímeros, poliuretano (PUA) e carragenina, visando aplicações em sensores (termocrómicos, humidade e magnéticos) e atuadores para telas sensíveis ao toque com propriedades táteis. Os materiais foram preparados em várias condições e suas propriedades magnéticas, elétricas, mecânicas, termocrómicas, eletromecânicas, magnetoiónicas (MI) determinadas. As propriedades foram relacionadas às propriedades físico-químicas, permitindo otimizar a resposta funcional. Inicialmente, foram investigados compósitos à base de PVDF e seus copolímeros e diversos LIMs, explorando seu potencial para sensores e atuadores. A análise incluiu não só a avaliação da compatibilidade entre diferentes LIMs, mas também a adaptação dos parâmetros de processamento para obter respostas ideais nos compósitos. Foi realizado um exame minucioso das propriedades estruturais, físico-químicas, térmicas, elétricas e magnéticas. Posteriormente, foram avaliadas as respostas eletromecânicas e MI. Explorando a multifuncionalidade dos compósitos, a deteção de humidade e o termocromismo foram investigados, utilizando vários LIs à base de imidazólio. Simultaneamente, foram exploradas alternativas mais ecológicas para os polímeros, como a resina epóxi curável por UV e o polímero natural carragenina. Em conclusão, novos compósitos LIM/polímero foram desenvolvidos e sua aplicabilidade para aplicações em sensores e atuadores foi demonstrada. Além disso, os materiais desenvolvidos são compatíveis com o processamento por técnicas de fabricação aditiva.

In a digitally governed world closely tied to the concepts of the Internet of Things and Industry 4.0, there is a need for universal and multifunctional sensing and actuating technologies. Consequently, the development of flexible, lightweight, cost-effective, and efficient devices is rising in demand. Hence, there is a growing need to explore a variety of smart materials that have the potential to respond to different external stimuli in a controlled and repetitive manner. Electroactive polymers (EAPs) are well-suited for sensor and actuator development by their ability to generate an electrical response when stimulated externally and vice versa. Often, EAP-based devices incorporate active materials like nanoparticles and nanowires to enhance their performance. However, these fillers typically present poor dispersion and agglomeration. Ionic liquids (ILs) offer a promising alternative with advantages such as excellent dispersion and the ability to be tailored for specific applications owing to their diverse range of ionic species. The main goal of this work is to investigate, tailor, and optimize the properties of novel highperformance multifunctional ionic EAPs. These EAPs are based on magnetic ionic liquids (MILs) and different polymer matrices such as poly (vinylidene fluoride) (PVDF) and copolymers, polyurethane (PUA), and carrageenan, targeting applications in sensor (thermochromic, humidity, and magnetic) and actuators for touch screens with haptic properties. The materials were prepared under various conditions, and their magnetic, electrical, mechanical, thermochromic, electromechanical, and magnetoionic (MI) properties were determined. These properties were related to the physical-chemical properties, allowing to optimize the functional response. Initially, composites based on PVDF and its copolymers with various MILs were investigated, exploring their potential for sensors and actuators. Our analysis included not only assessing the compatibility between different MILs but also adapting processing parameters to achieve optimal responses in the composites. It was conducted a thorough examination of the structural, physical-chemical, thermal, electrical, and magnetic properties. Subsequently, the electromechanical and MI responses were evaluated. Exploring the multifunctionality of the composites, the humidity sensing and thermochromism was investigated, utilizing several imidazolium-based ILs. Simultaneously, it was explored more environmentally friendly alternatives for the polymers, such as UV-curable epoxy resin and the natural polymer carrageenan. In conclusion, a novel MIL/polymer composites were developed and their applicability for sensors and actuator applications demonstrated. Further, the developed materials are compatible with processing by additive manufacturing techniques.