scholarly journals Self-Healing and High Interfacial Strength in Multi-Material Soft Pneumatic Robots via Reversible Diels–Alder Bonds

Actuators ◽  
2020 ◽  
Vol 9 (2) ◽  
pp. 34 ◽  
Author(s):  
Seppe Terryn ◽  
Ellen Roels ◽  
Joost Brancart ◽  
Guy Van Assche ◽  
Bram Vanderborght
Keyword(s):  
Interfacial Strength ◽  
Diels Alder ◽  
Self Healing ◽  
Material Interfaces ◽  
Material Interface ◽  
Covalent Bonds ◽  
Pneumatic Actuators ◽  
Multiple Materials ◽  
Physical Interactions ◽  
New Generation

In new-generation soft robots, the actuation performance can be increased by using multiple materials in the actuator designs. However, the lifetime of these actuators is often limited due to failure that occurs at the weak multi-material interfaces that rely almost entirely on physical interactions and where stress concentration appears during actuation. This paper proposes to develop soft pneumatic actuators out of multiple Diels–Alder polymers that can generate strong covalent bonds at the multi-material interface by means of a heat–cool cycle. Through tensile testing it is proven that high interfacial strength can be obtained between two merged Diels–Alder polymers. This merging principle is exploited in the manufacturing of multi-material bending soft pneumatic actuators in which interfaces are no longer the weakest links. The applicability of the actuators is illustrated by their operation in a soft hand and a soft gripper demonstrator. In addition, the use of Diels–Alder polymers incorporates healability in bending actuators. It is experimentally illustrated that full recovery of severe damage can be obtained by subjecting the multi-material actuators to a healing cycle.

scholarly journals Rapid self-healing and recycling of multiple-responsive mechanically enhanced epoxy resin/graphene nanocomposites

RSC Advances ◽  
2017 ◽  
Vol 7 (73) ◽  
pp. 46336-46343 ◽  
Author(s):  
Chenting Cai ◽  
Yue Zhang ◽  
Xueting Zou ◽  
Rongchun Zhang ◽  
Xiaoliang Wang ◽  
...  
Keyword(s):  
Epoxy Resin ◽  
High Performance ◽  
Diels Alder ◽  
Self Healing ◽  
Covalent Bonds ◽  
Graphene Nanocomposites ◽  
Graphene Nanocomposite

A rapid self-healing and recyclable high-performance crosslinked epoxy resin (ER)/graphene nanocomposite is reported by simultaneously incorporating thermally reversible Diels–Alder (DA) covalent bonds and multiple-responsive graphene into the ER matrix.

Preparation and properties of self-healing polyether amines based on Diels–Alder reversible covalent bonds

2018 ◽  
Vol 31 (1) ◽  
pp. 51-62 ◽  
Author(s):  
Xiaofei Wang ◽  
Kaifeng Zhao ◽  
Xiaowen Huang ◽  
Xiaoyue Ma ◽  
Yanyan Wei
Keyword(s):  
Glycidyl Ether ◽  
Tensile Tests ◽  
Optical Microscope ◽  
Mechanical Analysis ◽  
Diels Alder ◽  
Proton Nuclear Magnetic Resonance ◽  
Self Healing ◽  
Covalent Bonds ◽  
Reversible Covalent ◽  
Automotive Coating

Over time, automotive coating is bound to be damaged; therefore, it is necessary to give the coating a self-healing ability to make its performance even better. First, furfuryl glycidyl ether (FGE) was synthesized by epichlorohydrin and furfuryl alcohol. Then, furanyl-terminated resin FGE-T5000 was synthesized by polyether amine T5000 and FGE. Finally, 4,4′-diphenylmethane bismaleimide (BDM) was added to FGE-T5000 as a cross-linking agent to form a resin named FGE-T5000-BDM which has Diels–Alder (DA) bonds. The products were characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance, differential scanning calorimeter, dynamic mechanical analysis, thermogravimetric analysis, optical microscope, tensile tests, and other tests. The results showed that FGE-T5000-BDM demonstrated thermally reversible self-healing property from 50°C to 150°C, and that the best temperature of the DA reaction was 80°C. The gel content of FGE-T5000-BDM was 98%. Also, the glass transition temperature and the initial temperature of the Retro-DA (r-DA) reaction were −58°C and 88°C, respectively. Moreover, the self-healing efficiency of FGE-T5000-BDM was up to 88% after staying at 80°C for 12 h. The innovation shown in this article was that the reversible covalent bonds (DA) were combined with the polyether amines, which produced the characteristics of self-healing. Its unique self-healing properties are useful in some areas, such as automobile coatings and other materials.

scholarly journals Development of self-healing techniques for fiber reinforced composites

2017 ◽  
Author(s):  
Αθανάσιος Κοτρώτσος
Keyword(s):  
Fracture Toughness ◽  
Smart Materials ◽  
Diels Alder ◽  
Low Velocity Impact ◽  
Self Healing ◽  
Interlaminar Fracture Toughness ◽  
Low Velocity ◽  
Covalent Bonds ◽  
Interlaminar Fracture ◽  
Reversible Polymers

Τις τελευταίες δεκαετίες σύνθετα υλικά (ΣΥ) υψηλών μηχανικών ιδιοτήτων και προδιαγραφών αντικαθιστούν όλο περισσότερο μεταλλικά μέρη αεροσκαφών και διάφορα άλλα μέρη που σχετίζονται με βιομηχανικές εφαρμογές. Αυτή η τάση έχει τις ρίζες της στη ζήτηση δομικών υλικών με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, χαμηλή πυκνότητα και αντίσταση στη διάβρωση. Από την άλλη, τα υλικά αυτά και κυρίως τα πολύστρωτα ΣΥ, κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους εμφανίζουν μικρή αντίσταση στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων. Αυτό το μειονέκτημα τα καθιστά ιδιαίτερα ευπαθή σε φορτίσεις εκτός επιπέδου που τυχόν θα αντιμετωπίσουν κατά τη διάρκεια λειτουργίας κατασκευών που τις απαρτίζουν και γι'αυτό τις τελευταίες δεκαετίες έχει γίνει πολύ μελέτη για το πως θα επιτευχθεί η ενίσχυση της διαστρωματικής αντοχής των υλικών αυτών. Οι συμβατικές μέθοδοι επισκευής ως γνωστό παρουσιάζουν πολλές αδυναμίες και μειονεκτήματα (π.χ. είναι χρονοβόρες, κοστοβόρες και όχι πάντοτε αποτελεσματικές). Έτσι η προβληματική κατά το πάχος αντίσταση των υλικών αυτών στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων, σε συνδυασμό με τα αδύναμα σημεία των συμβατικών μεθόδων επισκευής τους, βάζει εμπόδια στην ευρύτερη χρήση τους στις σύγχρονες προηγμένες κατασκευές. Το τελευταίο διάστημα ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει εκδηλωθεί από τους επιστήμονες μηχανικούς για την ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών υβριδικών συνθέτων υλικών που θα είναι σε θέση όχι μόνο να φέρουν υψηλά μηχανικά φορτία αλλά και να έχουν τη δυνατότητα της επούλωσης τυχόν βλαβών μέσα στη μήτρα του συνθέτου υλικού. Μια τέτοια δυνατότητα είναι αυτή της "Αυτοΐασης" (self-healing), που με λίγα λόγια σημαίνει ότι εάν το υβριδικό ή τροποποιημένο υλικό παρουσιάσει κάποια εσωτερική βλάβη από κάποιο εξωτερικό αίτιο το ίδιο το υλικό θα είναι σε θέση να αυτό-επισκευασθεί ή αυτό-επουλωθεί. Η ενσωμάτωση υλικών με αυτές τις "ευφυής" ιδιότητες (Smart Materials) στις κατασκευές στην παρούσα φάση βρίσκονται σε επίπεδο εργαστηρίου.Σύμφωνα με τα προαναφερθέντα η ανάπτυξη νέων υβριδικών ή τροποποιημένων πολύστρωτων συνθέτων υλικών με βελτιωμένη διαστρωματική δυσθραυστότητα (interlaminar fracture toughness) τα οποία έχουν τη δυνατότητας της αυτοΐασης (Self-healing functionality) αποτελεί στόχο. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει προσπάθειες για την αύξηση της διαστρωματικής δυσθραυστότητας των δομικών αυτών συνθέτων υλικών με διάφορες μεθόδους (nano-modification, stitching, z-pinning, interleaving, optimization of the stacking sequence, κ.α.), ενώ ταυτόχρονα έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τρόποι ενσωμάτωσης της δυνατότητας αυτοΐασης (νάνο ή μικρό-κάψουλες (nano or micro-capsules), μικρό-αγγειακά δίκτυα (vascular networks) και ΘΑΠ (reversible polymers)). Από την έως τώρα βιβλιογραφική επισκόπηση, πολλές προσπάθειες έχουν γίνει μονόπλευρα είτε από την πλευρά της αύξησης της διαστρωματικής δυσθραυστότητας είτε από την πλευρά ενσωμάτωσης της ιδιότητας της αυτοΐασης. Υπάρχει περιορισμένος αριθμός δημοσιεύσεων που αφορούν και τις δυο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Βασική προϋπόθεση κατά την ανάπτυξη του νέου αυτού υβριδικού ή τροποποιημένου συνθέτου υλικού που θα έχει την ικανότητα της αυτοΐασης είναι: α) η προσθήκη του υλικού ή του συστήματος που θα προσδίδει στο σύνθετο υλικό την ιδιότητα της αυτοΐασης να μην προκαλεί μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων "knock down effect" (τουλάχιστον σημαντικά), και β) να μην αυξάνει σημαντικά το κόστος παραγωγής και την πολυπλοκότητα παρασκευής των νέων αυτών ΣΥ. Όλα τα ανωτέρω αποτελούν τεράστιες προκλήσεις που πρέπει να απαντηθούν ώστε να προχωρήσει η εφαρμογή αυτής της πολλά υποσχόμενης τεχνολογίας.Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη τεχνικών αυτοΐασης σε ινώδη ΣΥ με ενσωμάτωση θερμικά αναστρέψιμων πολυμερών (ΘΑΠ) (reversible polymers) στη μήτρα του συνθέτου υλικού. Πιο συγκεκριμένα η διατριβή αυτή βασίζεται στη στρατηγική των ΘΑΠ γνωστή ως "Reversible Polymers Strategy" η οποία είναι μη αυτόνομη διαδικασία (non-autonomous self-healing) καθώς εξωτερικά αίτια θα επιφέρουν την ίαση (θέρμανση και πίεση για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα) στο σημείο όπου εντοπίζεται η βλάβη με χρήση μεθόδων μη καταστροφικών ελέγχου (ΜΚΕ). Η στρατηγική αυτή έχει αρκετά πλεονεκτήματα καθώς δεν απαιτείτε ενσωμάτωση στο υπό επισκευή ΣΥ καψουλών (νάνο ή μικρό) ή μικρο-αγγειακών δικτύων που είναι πολύ πιθανόν να λειτουργήσουν ως σημεία συγκέντρωσης τάσεων, που με τη σειρά τους θα οδηγήσουν στην πρόωρη δημιουργία ρωγμών μέσα στη μήτρα του ΣΥ και κατά συνέπεια τη μελλοντική θράση του. Επίσης η χρήση των θερμικά αναστρέψιμων πολυμερών είναι πολλαπλή καθώς έχουν την δυνατότητα της ίασης για περισσότερες από μια φορές.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε εκτενής μελέτη ενσωμάτωσης τριών τύπων θερμικά αναστρέψιμων πολυμερών βάσει των δεσμών που συνδέουν τις πολυμερικές αλυσίδες μεταξύ τους. Ο κάθε τύπος θερμικά αναστρέψιμου πολυμερούς απασχολεί ένα κεφάλαιο ξεχωριστά στην παρούσα εργασία (Κεφάλαια 3,4 και 5 αντίστοιχα). Αρχικά μελετήθηκαν δυο βασικά υλικά θερμοπλαστικού τύπου (το PET (Polyethylene terephthalate) και το Nylon-66) που κατά κύριο λόγο βασίζονται σε ομοιοπολικούς δεσμούς (covalent bonds). Στη συνέχεια μελετήθηκαν υλικά τύπου Βις-μαλεϊμίδιου (Bis-maleimide (ΒΜΙ)) και μείγματα αυτών με εποξειδικές ρητίνες που βασίζονται σε ειδικούς ομοιοπολικούς δεσμούς (Specialcovalentbonds) και έχουν ως βάση τις Diels-Alder (DA) και Retro Diels Alder (R-DA) αντιδράσεις. Τέλος μελετήθηκαν ΘΑΠ τύπου Supramolecular τα οποία βασίζονται στη Supramolecular χημεία και κατά κύριο λόγο σε δεσμούς υδρογόνου (hydrogenbonds).Τα προαναφερθέντα υλικά τοποθετήθηκαν σε ινώδη ΣΥ από ίνες άνθρακα (CFRPs) είτε με τη μορφή απλής διασποράς μέσα στη μήτρα είτε υπό τη μορφή πολύ λεπτών στρώσεων ή φιλμ (interleaving) μεταξύ των στρώσεων του ΣΥ. Πιο συγκεκριμένα η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη της διαστρωματικής θραυστομηχανικής συμπεριφοράς τύπου Ι και ΙΙ (interlaminar fracture toughness Ι and II) για ΣΥ που εμπεριέχουν όλων των τύπων των προαναφερθέντων υλικών καθώς και στη μελέτη συμπεριφοράς τους σε πειράματα κρούσης χαμηλής ταχύτητας (low velocity impact tests) και θλίψης μετά από την κρούση (Compression After Impact (CAI)). Ακολούθως εφαρμόστηκε η διαδικασία της αυτοΐασης των βλαβών και τα μηχανικά τεστ επαναλήφθηκαν υπό πανομοιότυπες συνθήκες. Η διαδικασία δοκιμής/επισκευής επαναλήφθηκε αρκετές φορές μετά την αρχική πρόκληση βλάβης στο τροποποιημένο ΣΥ. Ως βοηθητικά εργαλεία στη διεξαγωγή της έρευνας αυτής χρησιμοποιήθηκαν ο ΜΚΕ των CFRP πλακών μέσω C-scan, η παρακολούθηση της ακουστικής δραστηριότητας (Acoustic Emission (AE)) των δοκιμίων κατά τη διάρκεια των πειραμάτων αλλά και η μελέτη της εσωτερικής δομής των ΣΥ χρήσει οπτικού μικροσκοπίου και SEM.

scholarly journals Balancing Self-Healing and Shape Stability in Dynamic Covalent Photoresins for Stereolithography 3D Printing

2021 ◽  
Author(s):  
Alejandra Durand-Silva ◽  
Karen Cortés-Guzmán ◽  
Rebecca Johnson ◽  
Sachini Perera ◽  
Ron Smaldone
Keyword(s):  
3D Printing ◽  
Scratch Test ◽  
Diels Alder ◽  
Self Healing ◽  
Shape Stability ◽  
Covalent Bonds ◽  
Dimensional Changes ◽  
Healing Efficiency ◽  
3D Printed ◽  
Efficient Manufacturing

Dynamic covalent bonds impart new properties to 3D printable materials that help to establish 3D printing as an accessible and efficient manufacturing technique. Here, we studied the effect of a thermally reversible Diels-Alder crosslinker on the shape stability of photoprintable resins and their self-healing properties. Resins containing different concentrations of dynamic covalent crosslinks in a polyacrylate network showed that the content of dynamic crosslinks plays a key role in balancing shape stability with self-healing ability. The shape stability of the printed objects was evaluated by measuring the dimensional changes after thermal treatment. The self-healing efficiency of the 3D printed resins was characterized with a scratch test and tensile testing. A dynamic covalent crosslink concentration of 1.8 mol % was enough to provide 99% self-healing efficiency without disrupting the shape stability of the printed objects. Our work shows the potential of dynamic covalent bonds in broadening the availability of 3D printable materials that are compatible with vat photopolymerization.

scholarly journals Balancing Self-Healing and Shape Stability in Dynamic Covalent Photoresins for Stereolithography 3D Printing

2021 ◽  
Author(s):  
Alejandra Durand-Silva ◽  
Karen Cortés-Guzmán ◽  
Rebecca Johnson ◽  
Sachini Perera ◽  
Ron Smaldone
Keyword(s):  
3D Printing ◽  
Scratch Test ◽  
Diels Alder ◽  
Self Healing ◽  
Shape Stability ◽  
Covalent Bonds ◽  
Dimensional Changes ◽  
Healing Efficiency ◽  
3D Printed ◽  
Efficient Manufacturing

Dynamic covalent bonds impart new properties to 3D printable materials that help to establish 3D printing as an accessible and efficient manufacturing technique. Here, we studied the effect of a thermally reversible Diels-Alder crosslinker on the shape stability of photoprintable resins and their self-healing properties. Resins containing different concentrations of dynamic covalent crosslinks in a polyacrylate network showed that the content of dynamic crosslinks plays a key role in balancing shape stability with self-healing ability. The shape stability of the printed objects was evaluated by measuring the dimensional changes after thermal treatment. The self-healing efficiency of the 3D printed resins was characterized with a scratch test and tensile testing. A dynamic covalent crosslink concentration of 1.8 mol % was enough to provide 99% self-healing efficiency without disrupting the shape stability of the printed objects. Our work shows the potential of dynamic covalent bonds in broadening the availability of 3D printable materials that are compatible with vat photopolymerization.

scholarly journals Polysaccharide-Based In Situ Self-Healing Hydrogels for Tissue Engineering Applications

Polymers ◽  
2020 ◽  
Vol 12 (10) ◽  
pp. 2261
Author(s):  
Sheila Maiz-Fernández ◽  
Leyre Pérez-Álvarez ◽  
Leire Ruiz-Rubio ◽  
Jose Luis Vilas-Vilela ◽  
Senentxu Lanceros-Mendez
Keyword(s):  
Tissue Engineering ◽  
Personalized Medicine ◽  
Tissue Regeneration ◽  
Self Healing ◽  
Covalent Bonds ◽  
Surgical Interventions ◽  
Non Invasive ◽  
Potential Applications ◽  
Physical Interactions

In situ hydrogels have attracted increasing interest in recent years due to the need to develop effective and practical implantable platforms. Traditional hydrogels require surgical interventions to be implanted and are far from providing personalized medicine applications. However, in situ hydrogels offer a wide variety of advantages, such as a non-invasive nature due to their localized action or the ability to perfectly adapt to the place to be replaced regardless the size, shape or irregularities. In recent years, research has particularly focused on in situ hydrogels based on natural polysaccharides due to their promising properties such as biocompatibility, biodegradability and their ability to self-repair. This last property inspired in nature gives them the possibility of maintaining their integrity even after damage, owing to specific physical interactions or dynamic covalent bonds that provide reversible linkages. In this review, the different self-healing mechanisms, as well as the latest research on in situ self-healing hydrogels, is presented, together with the potential applications of these materials in tissue regeneration.

Imine Based Self-Healing Hydrogel Triggered by Periodate

2020 ◽  
Author(s):  
Alexis Wolfel ◽  
Cecilia Inés Alvarez Igarzabal ◽  
Marcelo Ricardo Romero
Keyword(s):  
Functional Groups ◽  
Time Window ◽  
Crosslinking Reaction ◽  
Self Healing ◽  
Swelling Properties ◽  
Covalent Bonds ◽  
Smart Systems ◽  
Primary Amino ◽  
Vicinal Diols ◽  
Aldehyde Groups

<p>Design of materials with novel sensitivities and smart behaviour is important for the development of smart systems with automated responsiveness. We have recently reported the synthesis of hydrogels, cross-linked by <i>N,N'</i>-diallyltartardiamide (DAT). The covalent DAT-crosslinking points have vicinal diols which can be easily cleaved with periodate, generating valuable a-oxo-aldehyde functional groups, useful for further chemical modification. Based on those findings, we envisioned that a self-healable hydrogel could be obtained by incorporation of primary amino functional groups, from <a>2-aminoethyl methacrylate </a>hydrochloride (AEMA), coexisting with DAT into the same network. The a-oxo-aldehyde groups generated after the reaction with periodate would arise in the immediate environment of amine groups to form imine cross-links. For this purpose, DAT-crosslinked hydrogels were synthesized and carefully characterized. The cleavage of DAT-crosslinks with periodate promoted changes in the mechanical and swelling properties of the materials. As expected, a self-healing behavior was observed, based on the spontaneous formation of imine covalent bonds. In addition, we surprisingly found a combination of fast vicinal diols cleavage and a low speed self-crosslinking reaction by imine formation. Consequently, it was found a time-window in which a periodate-treated polymer was obtained in a transient liquid state, which can be exploited to choose the final shape of the material, before automated gelling. The singular properties attained on these hydrogels could be useful for developing sensors, actuators, among other smart systems.</p>

scholarly journals First Principle Study of TiB2 (0001)/γ-Fe (111) Interfacial Strength and Heterogeneous Nucleation

Materials ◽  
2021 ◽  
Vol 14 (6) ◽  
pp. 1573
Author(s):  
Qin Wang ◽  
Peikang Bai ◽  
Zhanyong Zhao
Keyword(s):  
Stainless Steel ◽  
Heterogeneous Nucleation ◽  
316L Stainless Steel ◽  
Interfacial Strength ◽  
Interface Energy ◽  
Interface Fracture ◽  
Partial Density ◽  
Covalent Bonds ◽  
Tib2 Particles ◽  
Adhesion Work

TiB2/316L stainless steel composites were prepared by selective laser melting (SLM), and the adhesion work, interface energy and electronic structure of TiB2/γ-Fe interface in TiB2/316L stainless steel composites were investigated to explore the heterogeneous nucleation potential of γ-Fe grains on TiB2 particles using first principles. Six interface models composed of three different stacking positions and two different terminations were established. The B-terminated-top 2 site interface (“B-top 2”) was the most stable because of the largest adhesion work, smallest interfacial distances, and smallest interfacial energy. The difference charge density and partial density of states indicated that a large number of strong Fe-B covalent bonds were formed near the “B-top 2” interface, which increased the stability of interface. Fracture analysis revealed that the bonding strength of the “B-top 2” interface was higher than that of the Fe matrix, and it was difficult to fracture at the interface. The interface energy at the Ti-poor position in the “B-top 2” interface model was smaller than that of the γ-Fe/Fe melt, indicating that TiB2 had strong heterogeneous nucleation potency for γ-Fe.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document