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May 03, 2023

Peristaltische Mikropumpe mit Polyvinylchlorid-Gelen mit mikrostrukturierter Oberfläche

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22608 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In diesem Artikel wird eine Pumpe vorgestellt, die Polyvinylchlorid (PVC)-Gel verwendet. PVC-Gele sind nachgiebig, haben eine einfache Struktur und weisen bei Spannungen im Bereich von 100–1000 V eine starke Verformung auf, wodurch sie für Mikropumpen geeignet sind. In dieser Studie wurde eine PVC-Gelfolie mit einem Oberflächenmuster, das die aktive Verformung in Dickenrichtung verstärkt, für die Herstellung einer Pumpe verwendet. Zu diesem Zweck wurde die PVC-Gelfolie zwischen drei Sätze Anoden- und Kathodenelektroden gelegt, woraufhin nacheinander Spannungen an diese Elektroden angelegt wurden, um eine peristaltische Verformung der Gelfolie zu erzeugen, wodurch die Flüssigkeit gedrückt und ein einseitiger Fluss erzeugt wurde. Verschiedene Pumpen wurden aus PVC-Gelfolien mit unterschiedlichen Oberflächenmustern hergestellt und die Pumpen charakterisiert. Die Pumpen wiesen ein Außenmaß von 35 mm × 25 mm bei einer Dicke von 4 mm auf, was einem Gesamtvolumen von 3,5 × 103 mm3 entspricht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Pumpe, die aus einer 174 μm hohen Gelfolie mit Pyramidenmuster hergestellt wurde, eine Durchflussrate von 224,1 μL/min bei einer angelegten Spannung von 800 V und einer Antriebsfrequenz von 3 Hz erzeugte. Dieser beobachtete Wert ist mit denen bestehender Pumpen auf Basis intelligenter Materialien vergleichbar oder sogar besser.

Pumpen sind das Grundelement flüssigkeitsbetriebener Systeme, die in einer Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Medizin, Biologie, Chemie und Robotik eingesetzt werden. In den letzten Jahrzehnten wurde die Verwendung intelligenter Materialien, also Materialien, die sich als Reaktion auf äußere Reize verformen können, umfassend als Methode zum Bau von Pumpen untersucht. Dies könnte vor allem auf ihren im Vergleich zu herkömmlichen Pumpen einfacheren Aufbau zurückzuführen sein, der sie in der Größe skalierbar macht1,2,3,4. Dementsprechend wurden verschiedene Pumpen auf Basis intelligenter Materialien entwickelt. Zu diesen intelligenten Materialien gehören Formgedächtnislegierungen (SMA)5,6,7, piezoelektrische Keramiken (PZT)8,9, dielektrische Elastomere (DE)10,11,12,13, Polyvinylidenfluorid (PVDF)14, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe ( IPMC)15,16,17,18 und leitfähige Polymere (CP)19.

Als intelligentes Material weist Polyvinylchlorid (PVC)-Gel vielversprechende Eigenschaften für Pumpen auf. PVC-Gele werden normalerweise durch Mischen von PVC-Harzen und flüssigen Weichmachern (z. B. Dibutyladipat) synthetisiert und haben typischerweise eine blattartige Form20,21,22. Wenn eine PVC-Gelfolie zwischen zwei Elektroden gelegt wird und zwischen ihnen eine Potentialdifferenz angelegt wird, wird das Gel angezogen und zur positiven Elektrode hin verformt. Diese Verformung ist das Ergebnis einer Ladungsinjektion von der negativen Seite, gefolgt von der Wanderung des Weichmachers zur positiven Seite21,22,23. PVC-Gele sind weich, haben eine einfache Struktur und zeigen große Verformungen (z. B. 12 % Kontraktionsdehnung24) und Spannungen (z. B. 5,26 kPa24) bei Spannungen im Bereich von 100–1000 V21,23. Der Leckstrom zwischen den Elektroden soll mehrere zehn Nanoampere pro Quadratmillimeter betragen22. Aufgrund dieser Eigenschaften wurden PVC-Gele in verschiedenen Geräten22 eingesetzt, darunter in einem künstlichen Muskelmodul24, einem Greifer25 und einem menschlichen Hilfsmittel26. Obwohl PVC-Gele in verschiedenen Geräten eingesetzt wurden, gibt es unseres Wissens nach keine Studien zur Verwendung von PVC-Gelen für die Herstellung von Pumpen.

In dieser Studie entwickeln wir PVC-Gelpumpen, um die Wirksamkeit von PVC-Gelen in Pumpgeräten zu untersuchen. Die entwickelte Pumpe war in der Lage, durch die peristaltische Verformung der PVC-Gelfolie einen kontinuierlichen Flüssigkeitsfluss zu erzeugen. Die peristaltische Verformung der Folie wurde durch Anlegen einer Spannung an mehrere Elektroden in der Struktur erreicht. Die Oberfläche der in dieser Studie verwendeten PVC-Gelfolie wies Mikromuster auf, von denen erwartet wird, dass sie die effiziente Bewegung von Flüssigkeit ermöglichen. Es wurden verschiedene PVC-Gelfolien mit unterschiedlichen Mikromustern hergestellt und in der Pumpe implementiert, und ihre Leistung hinsichtlich der Durchflussrate als Funktion der Antriebsfrequenz des peristaltischen Zyklus bei einer festen Spannung wurde charakterisiert.

Der gesamte Aufbau der PVC-Gelpumpe ist in Abb. 1 dargestellt. Sie besteht aus einer PVC-Gelfolie, die zwischen drei Elektrodensätzen liegt. Die obere und die untere Elektrode wurden als positive bzw. Masseseite verwendet. Die positiven Elektroden wurden in einem 3D-gedruckten Teil befestigt und eine Gelfolie, deren Außenkante mit dem 3D-gedruckten Teil verklebt ist, wurde auf die positive Elektrode gelegt. Die Klebrigkeit der Gelfolie gewährleistete die Befestigung der negativen Elektroden an der Folienoberseite. Das Gewicht der negativen Elektroden (jeweils 0,34 g) übt eine Vorspannung auf die Gelfolie in Dickenrichtung aus, sodass das Gel und die positiven Elektroden immer in Kontakt sind. Die Anpassung der Vorspannung ist durch Veränderung des Gewichts der negativen Elektroden möglich. Mit dieser Struktur wurden Silikonschläuche verbunden, um den Transport der Flüssigkeit sicherzustellen, die durch den Bereich zwischen den positiven Elektroden und der Gelfolie fließt. Die Außenabmessungen der Pumpe betragen 35 mm × 25 mm bei einer Dicke von 4 mm, was einem Gesamtvolumen von 3,5 × 103 mm3 entspricht. Weitere Einzelheiten zum Herstellungsprozess finden Sie im Abschnitt „Methoden“.

(a) Struktur der Polyvinylchlorid (PVC)-Gelpumpe. (b) PVC-Gelpumpe, die in dieser Studie entwickelt wurde.

Die Pumpe kann den Flüssigkeitsfluss in eine Richtung erzeugen, wenn die Elektroden zyklisch aktiviert werden. Abbildung 2 zeigt die Aktivierung der Elektroden während eines Pumpzyklus, der aus vier Elektrodenaktivierungsmustern besteht. Die Wiederholung desselben Pumpzyklus führt zu einer kontinuierlichen peristaltischen Verformung der PVC-Gelfolie, die die Flüssigkeit in eine Richtung transportiert.

Funktionsprinzip der PVC-Gelpumpe.

Die PVC-Gelpumpe wurde so konzipiert, dass die Gelfolie die Flüssigkeit direkt fördern kann, wenn sie mit den positiven Elektroden in Kontakt kommt. Daher ist es schwierig, Flüssigkeit aufzunehmen, wenn zwischen der Gelfolie und den positiven Elektroden kein Platz ist. Dies führt auch zu einer flachen PVC-Gelfolie, die keinen Durchfluss erzeugt, da es keinen Durchgang für die Flüssigkeit gibt (kein Raum zwischen der Gelfolie und den positiven Elektroden). Daher wurden in dieser Studie Mikromuster auf der Oberfläche der PVC-Gelfolie erzeugt und zwei Muster berücksichtigt: ein Pyramidenmuster und ein Gratmuster. Die Gelblätter mit diesen Mustern sind in Abb. 3 mit ihren Abmessungen dargestellt. Das Pyramidenmuster (Abb. 3a) bestand aus tetragonalen Pyramiden mit einer Höhe von 174 µm und einer Grundfläche von 250 µm. Das Gratmuster (Abb. 3b) bestand aus Bergen mit einer Breite von 100 µm, und für dieses Muster wurden zwei unterschiedliche Höhen (174 und 78 µm) verwendet. Die Gesamthöhe jeder Gelschicht betrug 630 µm. In dieser Studie wurden verschiedene Mikromuster und Höhen berücksichtigt, um den Einfluss der Geometrie auf die Pumpleistung zu untersuchen. Das Vorhandensein des Oberflächenmikromusters ermöglichte die Schaffung eines Spalts zwischen der PVC-Gelfolie und den positiven Elektroden ohne genaue Positionierung. Darüber hinaus wird erwartet, dass die durchströmende Flüssigkeit korrigiert wird.

Geometrie der in der Pumpe verwendeten PVC-Gelplatten. (a) Blatt mit Pyramiden-Mikromuster. (b) Blatt mit Grat-Mikromuster. (c) Betätigungsmechanismus einer PVC-Gelfolie mit Mikromuster. (i) Das Gel liegt zwischen positiven und negativen starren Elektroden. (ii) Wenn eine Spannung angelegt wird, wird das Gel so verformt, dass die Spitzen abgeflacht werden. (iii) Das Gel erreicht einen Gleichgewichtszustand, in dem die gesamte Struktur eine Verschiebungsänderung in Dickenrichtung aufweist.

Der Betätigungsmechanismus der PVC-Gelfolie mit Mikromuster ist in Abb. 3c dargestellt. In der Pumpenkonfiguration ist das Gel zwischen positiven und negativen starren Elektroden angeordnet, wobei die Spitzen des Musters Kontakt mit der positiven Elektrode haben. Beim Anlegen einer Spannung werden elektrische Ladungen injiziert und von der positiven Elektrode angezogen. Dies führt zur Wanderung des Weichmachers, was zu einer Verformung führt, die die Spitzen des Gels abflacht. Das Gel erreicht einen Gleichgewichtszustand, in dem die Anziehungskraft und die elastische Kraft des Gels im Gleichgewicht sind. Dadurch weist die gesamte Struktur eine Verschiebungsänderung in Dickenrichtung auf. In diesem Zustand ist der Spalt zwischen dem Gel und der positiven Elektrode minimiert, d. h. wenn Flüssigkeit vorhanden ist, wird diese in horizontaler Richtung gedrückt.

Darüber hinaus wurde die mikrostrukturierte PVC-Gelfolie verwendet, da sie im Vergleich zu Optionen ohne Mikrostruktur eine größere Verschiebung in Dickenrichtung erzeugt. Abbildung 4 zeigt die Diagramme der Verschiebung der PVC-Gelfolien in Dickenrichtung als Funktion der angelegten Spannung. Bei den getesteten Gelfolien handelte es sich um solche mit Pyramidenmuster (Höhe 174 µm), Rippenmustern (78 µm und 174 µm) und ohne Muster. Jeder von ihnen ist zwischen zwei starren Metallelektroden angeordnet, und dann wurde die Verschiebung unter Anlegen einer Spannung gemessen (weitere Einzelheiten finden Sie unter „Methoden“). Die Verschiebung der gemusterten Gelplatten war deutlich höher als die der nicht gemusterten Platte, was auf ihre Eignung für Pumpen hinweist, die die Verformung in Dickenrichtung ausnutzen.

Verschiebung der PVC-Gelplatten in Dickenrichtung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Jede Gelschicht wurde dreimal gemessen und der Durchschnitt angegeben.

Der Herstellungsprozess der mikrostrukturierten PVC-Gelfolie ist in Abb. 5 zusammengefasst (weitere Einzelheiten finden Sie unter „Methoden“). Es beginnt mit der Herstellung einer Lösung aus PVC-Harz und einem Weichmacher (in dieser Studie Dibutyladipat). Nach dem Abkühlen erhält man ein ausgehärtetes PVC-Gel. Durch Pressen des Gels mit erhitzten Eisenplatten entsteht eine Blattform. Die Gelfolie wird durch einen UV-härtenden Harzstempel weiter gepresst, der eine Konkavität mit Mikromuster aufweist, wodurch das PVC-Gel mit Mikromuster entsteht.

Herstellungsprozess der PVC-Gelfolien mit Mikromuster.

Die Bewegung von Pumpen, die aus den oben genannten PVC-Gelplatten hergestellt wurden, wird im Zusatzvideo S1 gezeigt. Wie in Abb. 6a dargestellt, kann der Transport der getesteten Flüssigkeit (FC-43, 3M) durch Untersuchung der Bewegung einer Blase im Silikonschlauch beobachtet werden (siehe auch Zusatzvideo S1). Während des Zyklus wurde jedoch ein gewisser Flüssigkeitsrückfluss beobachtet. Dies liegt daran, dass während der Umwandlung vom oberen rechten Muster zum oberen linken Muster, wie in Abb. 2 gezeigt, vor der vollständigen Verformung der PVC-Gelfolie im oberen linken Muster eine Lücke für den Durchgang der Flüssigkeit vorhanden war. Basierend auf der Geschwindigkeit einer Blase und dem Innendurchmesser des Rohrs wurde die von den Pumpen erzeugte Durchflussrate bei einer Variation der Antriebsfrequenz (dh umgekehrt zum Pumpzyklus) bei einer angelegten Spannung von 800 V gemessen. Insbesondere wurde die Durchflussrate gemessen, indem die Zeit bestimmt wurde, die eine Blase benötigt, um eine Strecke von 10 mm zurückzulegen. Diese Methode, bei der die Durchflussrate auf der Grundlage der Geschwindigkeit einer Blase gemessen wird, die auch als Flugzeit der Blase bekannt ist, wurde unter Bezugnahme auf verschiedene Literaturstellen angewendet14,27,28. Die Bewegung einer Blase wurde mit einer Kamera (TG-5, OLYMPUS) erfasst und die Pumpe wurde über ein Hochspannungsnetzteil angetrieben29. Die Höhe der Spannung von 800 V wurde gewählt, um jegliche Möglichkeit eines elektrischen Durchschlags auszuschließen und gleichzeitig angemessene Verformungen zu erzeugen. Die Wellenform der angelegten Spannung war quadratisch, was eine schnelle Verformung des Gels erwarten ließ.

(a) Von der PVC-Gelpumpe erzeugter Flüssigkeitsstrom basierend auf der beobachteten Blase im Silikonschlauch. (b) Gemessene Durchflussrate als Funktion der Antriebsfrequenz für die Pumpe mit einer Gelplatte mit Pyramidenmuster (angelegte Spannung 800 V). (c) Gemessene Durchflussrate als Funktion der Antriebsfrequenz für die Pumpe mit einer Gelfolie mit Rippenmuster (angelegte Spannung 800 V, Höhe 174 µm). (d) Gemessene Durchflussrate als Funktion der Antriebsfrequenz der Pumpe mit geripptem Gelblatt (angelegte Spannung 800 V, Höhe 78 µm). Für die gemessenen Durchflussraten wird der Durchschnitt aus drei Messungen angegeben.

Die gemessene Fördermenge der Pumpe mit Pyramidenmuster (Höhe 174 µm) ist in Abb. 6b dargestellt. Mit zunehmender Antriebsfrequenz erhöhte sich die Flussrate, bis sie einen Spitzenwert von 224,1 ± 5,4 µL/min bei 3 Hz erreichte. Bei einer weiteren Erhöhung der Antriebsfrequenz über 3 Hz hinaus verringerte sich die Fördermenge. Dieser Trend ist häufig bei peristaltischen Pumpen zu beobachten22, was darauf hindeutet, dass unsere PVC-Pumpe wie erwartet funktionierte. Ein ähnlicher Trend wurde für die Pumpen mit Gratmuster beobachtet, wie in Abb. 6c,d dargestellt. Die aus der PVC-Gelfolie mit einer Steghöhe von 174 µm (Abb. 6c) hergestellte Pumpe erreichte einen Spitzenwert von 133,7 ± 6,4 µL/min bei 7 Hz, was 40 % niedriger ist als der, der mit dem Pyramidenmuster erreicht wurde . Die Spitzenflussrate der Pumpe, die aus der Gelfolie mit einer Steghöhe von 78 µm hergestellt wurde, verringerte sich auf 52,3 ± 1,5 µL/min (0,8 Hz).

Die unterschiedlichen Werte der Spitzendurchflussrate und der entsprechenden Frequenz können auf mehrere Faktoren zurückzuführen sein. Der erste ist die Variation des durch die Mikromuster erzeugten Spaltvolumens. Die theoretische maximale Verschiebung der PVC-Gelfolie mit Pyramidenmuster (Höhe = 174 µm) beträgt 115 µm, was einem Durchflussvolumen pro Pumpvorgang von 9,2 µL entsprach. Für die Gelblätter mit Rippenmustern der Höhe 174 und 78 µm betrug das berechnete maximale Durchflussvolumen pro Pumpen 6,9 (max. Disp. 82 µm) bzw. 2,9 µL (max. Disp. 33 µm). Diese Werte stimmen mit den in Abb. 6 gezeigten gemessenen Durchflussraten sowie der in Abb. 4 gezeigten gemessenen Verschiebung in der Dickenrichtung überein. Was andere Faktoren anbelangt, weist die PVC-Gelfolie mit dem Pyramidenmuster (Höhe = 174 µm) Folgendes auf eine größere Verschiebung in Dickenrichtung (Abb. 4), sodass die insgesamt zu extrudierende Flüssigkeitsmenge größer ist. Wenn die Frequenz erhöht wird, nimmt das Ausmaß der Verformung allmählich ab, da die Verformung des Gels nicht mit der Eingabe mithalten kann. Dabei wird die Durchflussrate durch die Multiplikation der Frequenz und des Ausmaßes der Verformung zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Die Frequenz, bei der die Durchflussrate ihren Höhepunkt erreicht, beträgt 3 Hz für das Pyramidenmuster. Beim Rippenmuster mit einer Höhe von 174 µm ist die Gesamtströmungsrate aufgrund der relativ geringen Verschiebung in Dickenrichtung geringer. Alternativ nimmt die Spitzenfrequenz aus zwei möglichen Gründen einen höheren Wert von 7 Hz an. Erstens erhöht eine kleinere Verschiebung die Häufigkeit, mit der die maximale Verschiebung ausgenutzt werden kann, da die zum Erreichen dieser Verschiebung erforderliche Zeit viel kürzer ist. Das zweite ist das Verhältnis zwischen dem Volumen des Musters und seiner Oberfläche (der Fläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt). Je größer das aktiv verformbare Volumen im Verhältnis zur Oberfläche ist, desto leichter lässt sich die Flüssigkeit herausdrücken und desto höher ist die Frequenz. In einer 500 µm großen quadratischen Einheit auf einer PVC-Gelfolie hat das 174 µm hohe Rippenmuster eine Oberfläche von 3,83 × 10–5 µm2 und ein Volumen von 2,34 × 10–7 µm3, was einem Volumen pro Flächeneinheit von 61,2 entspricht µm. Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie der des Pyramidenmusters (29,9 µm), was mit der etwa doppelt so hohen Spitzenfrequenz korreliert. Für das Gratmuster mit einer Höhe von 78 µm beträgt das Volumen pro Flächeneinheit 22,5 µm, was darauf hindeutet, dass eine niedrigere Frequenz erforderlich ist als das Pyramidenmuster. Tatsächlich beträgt die Spitzenfrequenz des Gratmusters mit 78 µm Höhe 0,8 Hz. Auch die Spitzenströmungsrate ist im Verhältnis zur Verschiebung in Dickenrichtung geringer. Allerdings trägt, wie oben erläutert, die kleine Verschiebung in Dickenrichtung zu einem Anstieg der Spitzenfrequenz bei, was inkonsistent ist. Dies deutet darauf hin, dass es einen weiteren Faktor gibt, der die Häufigkeit für das Gratmuster mit 78 µm Höhe verringern würde.

Wir gehen davon aus, dass es sich aufgrund der Größe des Musters (der Größe des Strömungskanals) um Flüssigkeitsreibung handelt. Wenn sich das PVC-Gel in der Pumpe aktiv verformt und Flüssigkeit herausdrückt, gilt die dort erzeugte Strömung als turbulent. Im Falle einer vollständig entwickelten Turbulenz im Mikrofluidikkanal wird die Flüssigkeitsreibung als folgender nichtdimensionaler Parameter ausgedrückt30.

Insbesondere wird \(f\) als Darcy-Reibungsfaktor bezeichnet. \(Re\) ist die Reynolds-Zahl, die sich aus der folgenden Gleichung ergibt.

Dabei ist \(\rho\) die Dichte der Flüssigkeit, \(U\) die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, \(D_{h}\) der hydraulische Durchmesser und \(\mu\) die dynamische (absolute) Viskosität der Flüssigkeit. Unter Bezugnahme auf \(\rho\) und \(\mu\) aus dem Datenblatt der in dieser Studie verwendeten Flüssigkeit (FC-43, 3 M)31 wird \(U\) basierend auf der Spitzenflussrate und dem Querschnitt von berechnet Silikonschlauch auf der Ausgangsseite und anschließendes Bestimmen von \(Re\) mit \(D_{h}\) als Höhe des Musters ergibt sich ein Flüssigkeitsreibungsfaktor von 0,9 für das Rippenmuster mit einer Höhe von 78 µm. Der Reibungsfaktor beträgt 0,58 bzw. 0,51 für das Pyramidenmuster (Höhe = 174 µm) und das Gratmuster mit 174 µm. Daher wird davon ausgegangen, dass die Flüssigkeitsreibung des Stegmusters mit einer Höhe von 78 µm etwa doppelt so groß ist wie die der anderen Muster, was zu einem zusätzlichen Strömungswiderstand und damit zu einer höheren Frequenz führt, bei der die maximale Durchflussrate letztendlich erreicht wird beträgt nur 0,8 Hz. Das Obige enthält eine Richtlinie für die Konstruktion von PVC-Gelpumpen. Je größer nämlich die Verschiebung in Dickenrichtung des Gels ist, desto größer ist das aktive Volumen im Verhältnis zur Oberfläche und je geringer die Flüssigkeitsreibung, desto höher ist die Leistung im Verhältnis zu diesen Faktoren.

Wir fassen die in dieser Studie erzielten Ergebnisse zusammen und vergleichen sie mit denen anderer in der Literatur verfügbarer Pumpen, die auf intelligenten Materialien basieren. Wie in der Tabelle gezeigt, ist die Leistung unserer Pumpe mit der von Geräten auf Basis anderer intelligenter Materialien vergleichbar oder sogar besser, was auf die hohe Anwendbarkeit und das Potenzial von PVC-Gel für Pumpen hinweist (Tabelle 1).

In dieser Studie haben wir eine PVC-Gelpumpe entwickelt und die Anwendbarkeit von PVC-Gel auf Pumpgeräte bestätigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Pumpe eine Spitzenflussrate von 224,1 µL/min aufwies, was mit der von Pumpen auf Basis anderer intelligenter Materialien vergleichbar oder sogar besser ist. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Geometrie eines Mikromusters ein wichtiger Designparameter für PVC-Gelpumpen ist und dass die Optimierung des Musters die Pumpleistung verbessern wird.

Daher wird sich die zukünftige Arbeit auf die weitere Charakterisierung von PVC-Pumpen unter verschiedenen Geometrien von Oberflächenmikromustern konzentrieren und dabei Faktoren wie Durchflussrate und Antriebsfrequenz berücksichtigen, die aus experimentellen Ergebnissen hervorgehen, die Aktivierungssequenz der Elektroden und die Größe der angelegten Spannung sowie die Art der Spannung Wellenform. Die Erfassung der Betätigungsleistung wie Verdrängung und Blockierkraft für verschiedene Mikromuster soll Einblicke in die Konstruktion von PVC-Pumpen liefern, indem sie die Beziehung zwischen Betätigungs- und Pumpeigenschaften liefert. Um diese Experimente zu erleichtern, wird anstelle der aktuellen Methode (Blasenflugzeit) ein kommerziell erhältlicher Durchflusssensor eingesetzt. Darüber hinaus konnte das gesamte Pumpendesign geändert werden. Beispielsweise führt eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche, also des Bereichs, in dem sich die gegenüberliegenden Elektroden überlappen, zu einer größeren Flüssigkeitsmenge pro Pumpzyklus. Darüber hinaus kann die Reduzierung der Gesamtdicke der PVC-Gelfolien und die Änderung der Materialeigenschaften die Anwendung niedrigerer Spannungen ermöglichen und so die Energieeffizienz des Geräts erhöhen.

Kurz gesagt, wurden Polyvinylchlorid (PVC) (1700Z, Shindai-ichi-Vinyl) und Dibutyladipat (DBA) (Tokyo Kasei) in einem Gewichtsverhältnis von PVC:DBA = 1:4 in einen abnehmbaren Kolben gegeben. Anschließend wurde die Mischung im Kolben gerührt und in einem Ölbad 30 Minuten lang bei 120 °C und 90 U/min erhitzt, bis sich ein Polymergel bildete. Danach wurde das Polymergel abgekühlt und aus dem Kolben entfernt und 3,6 g des Polymergels wurden in einen Behälter mit einem Durchmesser von 70 mm gegeben. × 0,7 mm Abstandhalter und zwischen Eisenplatten eingeklemmt. Anschließend wurde der Abstandshalter mit einer hydraulischen Heizpresse bei 150 °C und 2 MPa gepresst und anschließend abgekühlt, um eine Polymergelfolie mit einer Dicke von 630 µm zu erhalten. Anschließend wurde ein UV-härtender Harzstempel mit einer konkaven Mikrostruktur auf der Gelfolie platziert und die gesamte Probe in eine Vakuumheizpresse gegeben, wo die Gelfolie bei 150 °C und 0,1 MPa im Vakuumzustand gepresst wurde, um ein Mikromuster zu erzeugen auf der Oberfläche der Gelfolie. Um die Gelfolien mit den Pyramiden- und Gratmustern zu erhalten, wurden verschiedene Stempel verwendet.

Der Hauptrahmen der Pumpe wurde mit einem 3D-Drucker (Form3, Formlabs) hergestellt und die 3D-Druckdaten wurden mit CAD (SolidWorks, Dassault Systèmes) erstellt. Positive Elektroden aus 1 mm dickem Aluminiumblech (20 mm lang, 5 mm breit) wurden im 3D-gedruckten Rahmen befestigt und diese Elektroden wurden durch Löcher mit einem Durchmesser von 0,7 mm verdrahtet, die an der Seite des Rahmens gebohrt wurden. Dort, wo die Silikonschläuche (Außendurchmesser 2,5 mm, Innendurchmesser 1,5 mm) angeschlossen waren, wurden auch Löcher mit einem Durchmesser von 2,5 mm erzeugt. Die PVC-Gelfolien wurden in Umrissmaße von 20 mm × 16 mm geschnitten und auf die positiven Elektroden gelegt, und die Kanten der Gelfolie wurden mit UV-härtbarem Klebstoff (BONDIC EVO, Spirit of) mit dem 3D-gedruckten Hauptrahmen verklebt Wunder). Anschließend wurden Erdungselektroden aus 1 mm dickem Aluminiumblech (16 mm lang, 5 mm breit) auf der Oberseite der PVC-Gelfolie platziert. Die Verkabelung jeder Erdungselektrode erfolgte durch Anbringen eines elektrischen Kabels mit einem leitfähigen Klebeband.

Bei der Messung der aktiven Verschiebung in Dickenrichtung der hergestellten PVC-Gelplatten wurde jedes Gel in eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von 16,5 mm gestanzt und zwischen zwei Messingelektroden eingelegt. Die Elektrode auf der positiven Seite hatte einen Durchmesser von 35 mm und eine Dicke von 0,5 mm. Die Elektrode auf der negativen Seite hatte einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 2 mm. Die positiven und negativen Elektroden wurden jeweils auf der Unter- und Oberseite der Gelfolie platziert. Ein Laser-Verschiebungssensor (OPTEX-FA, CDX-L15) wurde verwendet, um die Verschiebung der oberen Elektrode (d. h. die Verschiebung der Gelschicht in Dickenrichtung) zu messen, während über eine Hochspannungsversorgung Spannung an die Elektroden angelegt wurde29.

Alle Daten, die die Handlung in diesem Artikel und andere Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde durch den JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (Fördernummer 21K14126) unterstützt.

Abteilung für mechanische und intelligente Systemtechnik, Universität für Elektrokommunikation, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu, Tokio, 182-8585, Japan

Tomoki Motohashi und Jun Shintake

Polymerlabor, Wissenschafts- und Innovationszentrum, Mitsubishi Chemical Co., Ltd., 1000 Kamoshida-cho, Aoba-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, 227-8502, Japan

Naoki Ogawa und Hideko Akai

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TM: Konzeptualisierung, Methodik, Datenerfassung, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, Visualisierung und Untersuchung. NEIN: Methodik, Untersuchung, Datenerfassung, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. HA: Methodik, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. JS: Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung sowie Supervision.

Korrespondenz mit Jun Shintake.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Ergänzendes Video S1.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Motohashi, T., Ogawa, N., Akai, H. et al. Peristaltische Mikropumpe mit Polyvinylchlorid-Gelen mit mikrostrukturierter Oberfläche. Sci Rep 12, 22608 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27226-3

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Eingegangen: 26. September 2022

Angenommen: 28. Dezember 2022

Veröffentlicht: 30. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27226-3

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