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Apr 05, 2023

Microbomba peristáltica usando géis de cloreto de polivinila com superfície micropadronizada

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22608 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este trabalho apresenta uma bomba utilizando gel de cloreto de polivinila (PVC). Os géis de PVC são compatíveis, têm uma estrutura simples e exibem grande deformação em tensões na faixa de 100 a 1000 V, o que os torna adequados para microbombas. Neste estudo, uma folha de gel de PVC com um padrão de superfície que aumenta a deformação ativa na direção da espessura foi empregada para a fabricação de uma bomba. Para este fim, a folha de gel de PVC foi colocada entre três conjuntos de eletrodos de ânodo e cátodo, após o que as tensões foram aplicadas sequencialmente a esses eletrodos para gerar uma deformação peristáltica da folha de gel, empurrando assim o líquido e criando um fluxo unidirecional. Várias bombas foram fabricadas usando folhas de gel de PVC com diferentes padrões de superfície, e as bombas foram caracterizadas. As bombas apresentaram dimensão de contorno de 35 mm × 25 mm com espessura de 4 mm, correspondendo a um volume total de 3,5 × 103 mm3. Os resultados revelaram que a bomba fabricada com uma folha de gel com padrão piramidal de 174 μm gerou uma taxa de fluxo de 224,1 µL/min a uma tensão aplicada de 800 V e uma frequência de condução de 3 Hz. Este valor observado é comparável ou melhor do que as bombas existentes baseadas em materiais inteligentes.

As bombas são o elemento fundamental dos sistemas acionados por fluidos, que são empregados em uma ampla gama de aplicações nos campos médico, biológico, químico e robótico. Nas últimas décadas, o uso de materiais inteligentes, que são materiais que podem se deformar em resposta a estímulos externos, tem sido amplamente investigado como método de construção de bombas. Isso pode ser atribuído principalmente à sua estrutura mais simples em comparação com as bombas convencionais, o que as torna escaláveis ​​em tamanho1,2,3,4. Consequentemente, várias bombas baseadas em materiais inteligentes foram desenvolvidas. Esses materiais inteligentes incluem ligas com memória de forma (SMA)5,6,7, cerâmica piezoelétrica (PZT)8,9, elastômeros dielétricos (DE)10,11,12,13, fluoreto de polivinilideno (PVDF)14, compostos de metal de polímero iônico ( IPMC)15,16,17,18 e polímeros condutores (CP)19.

Como um material inteligente, o gel de cloreto de polivinila (PVC) apresenta características promissoras para bombas. Os géis de PVC são normalmente sintetizados pela mistura de resinas de PVC e plastificantes líquidos (por exemplo, adipato de dibutila) e geralmente têm uma forma de folha20,21,22. Quando uma folha de gel de PVC é colocada entre dois eletrodos e uma diferença de potencial é aplicada entre eles, o gel é atraído e deformado em direção ao eletrodo positivo. Essa deformação é resultado da injeção de carga do lado negativo seguida da migração do plastificante para o lado positivo21,22,23. Os géis de PVC são macios, têm uma estrutura simples e exibem grandes deformações (por exemplo, 12% de tensão de contração24) e tensões (por exemplo, 5,26 kPa24) em tensões na faixa de 100–1000 V21,23. Diz-se que a corrente de fuga entre os eletrodos é de várias dezenas de nanoampères por milímetro quadrado22. Devido a essas características, os géis de PVC têm sido aplicados em vários dispositivos22, incluindo um módulo muscular artificial24, pinça25 e dispositivo de assistência humana26. Embora os géis de PVC tenham sido aplicados em diversos dispositivos, até onde sabemos, não existem estudos sobre o uso de géis de PVC para a fabricação de bombas.

Neste estudo, desenvolvemos bombas de gel de PVC para investigar a eficácia dos géis de PVC em dispositivos de bombeamento. A bomba desenvolvida foi capaz de gerar fluxo contínuo de líquido através da deformação peristáltica da folha de gel de PVC. A deformação peristáltica da folha foi conseguida aplicando uma voltagem a vários eletrodos na estrutura. A superfície da folha de gel de PVC utilizada neste estudo exibiu micropadrão, o que é esperado para permitir o movimento eficiente do líquido. Várias folhas de gel de PVC com diferentes micropadrões foram fabricadas e implementadas na bomba, e seu desempenho em termos de vazão em função da frequência de condução do ciclo peristáltico em uma tensão fixa foi caracterizado.