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Other titre : Study of soft polymer actuators driven by an order-disorder phase transition

dc.contributor.advisorZhao, Yue
dc.contributor.authorGe, Feijiefr
dc.date.accessioned2019-10-04T14:32:36Z
dc.date.available2019-10-04T14:32:36Z
dc.date.created2019fr
dc.date.issued2019-10-04
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/16043
dc.description.abstractLes actionneurs souples à base de polymère pouvant être actionnés de manière réversible suscitent un grand intérêt car ils peuvent être construits à partir d’une vaste source de polymères et être déclenchés par divers types de stimuli pour la production répétée de travaux physiques. Parmi ceux-ci, les actionneurs thermo-sensibles et photo-sensibles à base de polymères semi-cristallins (SCPs) et / ou de polymères à cristaux liquides (LCPs) se développent rapidement en raison de leurs applications potentielles en tant que dispositifs intelligents dans de nombreux domaines. Les chercheurs ont consacré des efforts considérables ces dernières années à la mise au point de nouveaux matériaux et de nouvelles fonctions basés sur les SCPs et les LCPs, mais la demande de construction d'actionneurs en polymère robustes dotés de fonctions avancées utilisant des matériaux facilement disponibles et des stratégies faciles n'a pas été satisfaite. Le but principal de cette thèse est de développer et d’étudier de tels actionneurs polymères fonctionnels avancés et contrôlables thermiquement ou par la lumière afin de produire de l’énergie mécanique par un actionnement réversible, en utilisant du poly (éthylène-acétate de vinyle) (EVA) semi-cristallin disponible dans le commerce et un type de LCP photoréticulable avec addition de petites quantités d'additifs générant de la chaleur. Nos approches étaient simples, pratiques et robustes, car nous n’avions utilisé qu’un laser ou un substrat isothermique pour réguler plusieurs comportements d’actionnement réversibles de pointe. L’utilisation d’EVA a donné lieu à deux projets présentés dans les chapitres 1 et 2, respectivement, en tant que première partie de cette thèse. Dans cette partie, deux comportements d'actionnement réversibles ont été décrits. Le premier est contrôlé par une commutation marche / arrêt du laser, tandis que le second est auto-entretenu sur un substrat isotherme. Les deux comportements sont associés à un gradient de température établi dans la direction de l'épaisseur de l'actionneur et entraîné par une transition de phase cristallisation – fusion. La deuxième partie est présentée au chapitre 3 et démontre qu'une bande de LCP monolithique réticulée de manière non uniforme peut fonctionner comme un photoactionneur multifonctionnel commandé par une transition de phase LC – isotrope. Dans le premier chapitre, nous avons préparé un type d'actionneur optique contenant des nanoparticules d'or basé sur une bande d'EVA étirée recevant des cristallites orientés. Lors de l'irradiation avec un laser (longueur d'onde de 532 nm), la résonance plasmonique de surface (SPR) de nanoparticules d'or (AuNP) est activée pour libérer de la chaleur qui fond partiellement les cristallites à Tlight. Les cristallites dont la température de fusion (Tm) est inférieure à Tlight sont fondus en tant que domaine d'actionnement afin de contracter la bande de manière asymétrique en raison du gradient de température, tandis que les cristaux de Tm supérieurs à Tlight soutiennent en tant que cadre. Lorsque le laser est retiré, la recristallisation orientée du domaine d’actionnement induit une expansion dans la direction d’étirage pour détendre la bande. Les résultats montrent que la luminosité, la force mécanique optique, l'amplitude d'actionnement et la vitesse d'activation peuvent être réglés en ajustant l'intensité du laser, le contenu en AuNPs, l'allongement et l'épaisseur de l'actionneur. Une application potentielle de l'actionneur optique en tant que commutateur sans fil et contrôlable à distance a été démontrée. Dans le deuxième chapitre, nous avons démontré le mouvement autonome sans précédent d’une bande d’EVA déposée sur un substrat en acier isotherme. La bande est fabriquée à partir d'EVA pur réticulé contenant des cristallites alignés de manière uniaxiale. Une fois en contact avec le substrat chaud, un gradient de température est immédiatement établi sur toute l'épaisseur et élève la section médiane de la bande en arc, provoqué par la contraction induite par la fusion asymétrique. Dans l'air, une recristallisation dirigée se produit et dilate la bande pour retomber à la forme plate initiale. Dans cet état, le substrat chaud chauffe la bande pour qu'elle se plie à nouveau afin de répéter le cycle de mouvement précédent. Une boucle de rétroaction thermo-mécanique-thermique est ainsi facilement établie et validée pour commander le mouvement continu, qui peut durer une heure ou environ 1 000 cycles. Nous avons étudié les facteurs qui affectent l'amplitude et la période du mouvement autonome et avons constaté que la température du substrat et l'allongement de la bande sont des paramètres importants, tandis que la durabilité est principalement altérée par le contact de plus en plus étroit entre la bande et le substrat. Le potentiel de conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique a été démontré par une fonction d’auto-marche et la capacité de promouvoir la rotation d’une roue. Dans le troisième chapitre, un photoactionneur à base de LCP contenant un colorant proche infrarouge (NIR) a été préparé par photoréticulation d’une bande de LCP alignée de manière uniaxiale d’un côté en monodomaine et de l’autre en polydomaine LC relaxée. L'actionneur est multifonctionnel et remplit trois fonctions: le transport guidé par la lumière, la rotation flexible en locomotion et le mouvement autonome. Avec deux extrémités confinées sur un substrat et maintenues à plat, la bande peut générer une bosse sur le site de l'irradiation laser, résultant du réarrangement des chaînes polymères lors de la contraction iso-contrainte à l'état isotrope et du passage ultérieur à l'état LC. Une cargaison en forme de tige placée à côté de la bosse peut être transportée de bout en bout lorsque la bosse se propage sous balayage laser. Avec une extrémité fixée sur le substrat et l’autre libérée dans l’air, la bande soumise à une irradiation laser constante peut exécuter un mouvement auto-entretenu selon plusieurs modes, qui sont dictés par l’angle incident du laser. Le mouvement autonome est basé sur le mécanisme d’observation automatique et piloté par le retour photo-thermo-mécano-thermique. Numériser la bosse découpée de la bande de manière uniforme avec le laser peut faire en sorte que la bosse rampe directement sur les surfaces horizontales et inclinées, tandis qu'un balayage asymétrique peut guider le sens de rotation avec souplesse.fr
dc.description.abstractAbstract: Polymer-based soft actuators capable of reversible actuation are attracting wide interest and attention as they can be constructed from a broad range of polymers and triggered by various types of stimuli to output physical work repeatedly. Among them, thermoresponsive and photoresponsive actuators based on semicrystalline polymers (SCPs) and liquid crystalline polymers (LCPs) are increasingly developed due to their potential applications as smart devices in numerous fields. In recent years, massive efforts have been devoted by researchers to developing new materials and functions based on SCPs and LCPs, but the demand for constructing robust polymer actuators with advanced functions using readily available materials and facile strategies has not been fulfilled. The main purpose of this thesis is to develop and study such advanced and functional polymer actuators controllable by thermal or light to output mechanical energy through reversible actuation, using commercially available semicrystalline poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) and a type of photocrosslinkable LCP with addition of small amounts of heat-generating additives. Our approaches are simple, convenient and robust as we only use a laser or an isothermal substrate to regulate several leading-edge reversible actuation behaviors. The use of EVA elicited two projects which are presented in Chapter 1 and Chapter 2, respectively, as the first part of this thesis. In this part, two reversible actuation behaviors were described. The first one is controlled by on/off switching of the laser, while the second one is self-sustained on an isothermal substrate surface. Both behaviors are associated with a temperature gradient established in the thickness direction of the actuator and driven by melting–crystallization phase transition. The second part of this thesis, presented in Chapter 3, deals with an LCP actuator. We show that a monolithic LCP strip crosslinked non-uniformly can perform as a multifunctional photoactuator driven by LC–isotropic phase transition. In the first chapter, we prepared a type of gold nanoparticle-containing optical actuator based on a stretched EVA strip accommodating oriented crystallites. Upon irradiation with a laser (532 nm in wavelength), surface plasmon resonance (SPR) of gold nanoparticles (AuNPs) is activated to release heat that partially melts the crystallites at Tlight. The crystallites with their melting temperature (Tm) below Tlight are melted as the actuation domain that bends the strip towards the laser direction as a result of uneven contraction forces along the thickness due to the temperature gradient, while the crystallites with Tm higher than Tlight sustain as the framework. When the laser is removed, oriented recrystallization in the actuation domain induces expansion along the stretching direction to unbend the strip. Results show that Tlight, the photomechanical force, the actuation magnitude and the actuation speed are tunable by adjusting the laser intensity, the content of AuNPs, the elongation and thickness of the actuator. A potential application of the optical actuator as a wireless and remotely controllable switch was demonstrated. In the second chapter, we demonstrate an unprecedented autonomous motion of an EVA strip deposited on an isothermal steel substrate. The strip is made from crosslinked pure EVA containing uniaxially aligned crystallites. Once in contact with the hot substrate, a temperature gradient is immediately established across the thickness and elevates the middle section of the strip to form an arch, caused by the melting-induced-contraction of the bottom side of the strip. Once in the air, the melted EVA chains are cooled and recrystallize, which generates opposite extensional force on the bottom side and brings the strip to fall back to the initial flat shape. In this state, the hot substrate heats the strip to bend it again, and the arching up and flattening down motion cycle is repeated. A thermo-mechanical-thermal feedback loop is thus easily established to drive the self-sustained motion, which can last hour-long or around 1000 cycles. We investigated the factors that affect the amplitude and period of the autonomous motion and found that both the substrate temperature and elongation of the strip are important parameters, while the durability is mainly decayed by the looser and looser contact between the strip and the substrate. Potential of converting thermal energy to mechanical energy was demonstrated by a self-walking function and the ability to promote the rotation of a wheel. In the third chapter, a multifunctional LCP-based photoactuator containing a near-infrared (NIR) dye is described. It was prepared by photocrosslinking a uniaxially aligned LCP strip on one side in monodomain and the other side in relaxed LC polydomain. The actuator has three functions, which are the light-guided transportation, flexible turning in locomotion and autonomous motion. First, with its two ends fixed on a substrate and kept flat, the strip can generate a bump at the site of laser irradiation, arising from polymer chains rearrangement during isostrain contraction in isotropic state and subsequent transition to LC state. A rod-shape cargo put beside the bump can be conveyed from end to end as the bump propagates under laser scanning. Secondly, with one end fixed on the substrate and the other released in air, the strip under constant laser irradiation can execute self-sustained motion in multiple modes, which are dictated by the incident angle of the laser. The autonomous motion is based on a self-shadowing mechanism and driven by the photothermo-mechano-thermal feedback. Thirdly, scanning the bump cut from the strip uniformly, with the two ends free, laser scanning can make the actuator crawl straightly on both horizontal and inclined surfaces, while unsymmetrical laser scanning can guide the turning direction in its movement.fr
dc.language.isofrefr
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Feijie Gefr
dc.rightsAttribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada*
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dc.rightsAttribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada*
dc.rightsAttribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/*
dc.subjectPolymer actuatorsfr
dc.subjectOptical actuatorsfr
dc.subjectSemicrystalline polymersfr
dc.subjectLiquid crystalline polymersfr
dc.subjectOrder-disorder phase transitionfr
dc.subjectAutonomous motionfr
dc.subjectMultifunctional actuatorsfr
dc.subjectActionneurs en polymèrefr
dc.subjectActionneurs optiquesfr
dc.subjectPolymères semi-cristallinsfr
dc.subjectPolymères cristallins liquidesfr
dc.subjectTransition de phase ordre-désordrefr
dc.subjectMouvement autonomefr
dc.subjectActionneurs multifonctionnelsfr
dc.titleÉtude des actionneurs polymères souples basés sur une transition de phase ordre-désordrefr
dc.title.alternativeStudy of soft polymer actuators driven by an order-disorder phase transitionfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineChimiefr
tme.degree.grantorFaculté des sciencesfr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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