• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi

Kemiteknik01. 10. 2017 | Katrine Meyn

Hvornår bryder en kunstig muskel sammen?

Kemiteknik01. 10. 2017 By Katrine Meyn

Simulering af termiske sammenbrud i dielektriske elastomerer

Dielektriske elastomerer kan blandt andet bruges til kunstige muskler, højttalere og til at udvinde energi fra havbølger. Ved brug af dielektriske elastomerer genereres varme grundet den elektriske modstand i materialet, hvilket kan lede til, at materialet bryder sammen. Tre essentielle parametre påvirker sammenbruddet af dielektriske elastomerer.

Læs originalartiklen her

Af Line Riis Madsen, Ole Hassager og Anne Ladegaard Skov, Dansk Polymer Center, Institut for Kemiteknik, DTU

Modellering af varmestrømme er typisk interessant i større kemiske anlæg og rørføringer, men det kan også bruges til at forudsige, hvornår en kunstig muskel vil bryde sammen. Dielektriske elastomerer er en interessant teknologi, der både kan bruges til kunstige muskler og til at udvinde energi fra havets bølger. Materialet har vist sit potentiale til en lang række anvendelser, men der forskes stadig i at optimere levetiden af materialet.

Muskler eller bølge-energi-høstere
En dielektrisk elastomer består af en tynd elastisk polymerfilm, nærmere bestemt en elastomer, sammenklemt imellem to fleksible elektroder. Silikone er et af de mest populære materialer til dielektriske elastomerer, da det har en høj effektivitet og pålidelighed og en hurtig reaktionstid. Elektroderne består af et ledende materiale, hvilket ofte er ædelmetaller såsom guld eller sølv.Når der påføres en elektrisk spænding henover elektroderne, vil elektriske ladninger ophobes på elektroderne, hvorved den ene elektrode bliver positivt ladet og den anden negativt ladet. Disse to modsatladede elektroder vil tiltrække hinanden, hvilket resulterer i, at elastomeren mindskes i højden, men da den er inkompressibel, udvides den tilsvarende i areal. På denne måde omdannes elektrisk energi til mekanisk energi, der kan bruges til diverse produkter såsom kunstige muskler eller højttalere [1]. Når den elektriske spænding kobles fra, vil elastomeren genfinde sin originale form.Dielektriske elastomerer kan også bruges til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi såsom at udvinde energi fra havbølgers bevægelse [2]. Dette gøres ved at strække materialet og derefter påføre en spænding over elektroderne. Når elastomeren derefter relakserer, vil de mekaniske kræfter arbejde imod de elektriske kræfter, og derved øges den elektriske energi i materialet. Den overskydende elektriske energi kan herefter høstes.

Materialet brænder sammen
Dielektriske elastomerer kan udformes i en bred vifte af konfigurationer. De kan bl.a. rulles, udformes til rør, påføres til en fast ramme eller fastgøres til et fast underlag. Ydermere kan de også arrangeres i en lagdelt struktur med skiftende elastomer og elektrodelag, som det ses af figur 1. Dette gøres for at øge den mekaniske kraft, der opnås ved aktivering. Antallet af lag i en stak af dielektriske elastomerer afhænger af formålet, men kan være helt op imod 300 lag i en bølge-energi-høster [2]. Uheldigvis øges risikoen for et termisk sammenbrud med antallet af lag. Når der sendes en elektrisk strøm igennem et materiale, vil materialet blive varmt grundet den elektriske modstand i materialet. Dette kaldes Ohmsk opvarmning. Hvis varmen, der genereres inde i en stak af dielektriske elastomerer, overstiger varmen, der transporteres væk fra stakkens overflade grundet fri konvektion, vil temperaturen af stakken stige. En forøgelse af temperaturen i et område af elastomeren vil resultere i, at ladningstætheden i dette område stiger, og jo flere ladede partikler i et område, jo mere varme genereres der grundet Ohmsk opvarmning. På denne måde er temperaturstigningen selvforstærkende, og hvis ikke varmekonvektionen fra siderne af stakken er tilstrækkelig, vil materialets temperatur stige eksponentielt, hvilket medfører et elektrisk sammenbrud af materialet [3].Fokus for dette studium er at undersøge, hvilke faktorer der har den største indvirkning på dielektriske elastomerers sammenbrud. Studiet er udført ved at sammenholde formlerne for Ohmsk opvarmning og konvektion for en stak af dielektriske elastomerer under et givent sæt af testbetingelser. Konfigurationen af dielektriske elastomerer, der er brugt i denne model, er vist i figur 1. Formlen for Ohmsk opvarmning, Qgen, er som følger:

formel 1 (1)
hvor E er det påførte elektriske felt, N er antallet af lag i stakken af dielektrisk elastomerer, d er tykkelsen af et lag elastomer, σ er elastomerens elektriske konduktivitet og Atvær er tværsnitsarealet af stakken. Formlen for fri konvektion, Qkonv, er givet som:

formel 2 (2)
hvor h er varmeovergangstallet, A er overfladearealet, T er temperaturen på overfladen af elastomeren og Tomg er omgivelsernes temperatur.
Formlen for fri konvektion skal bruges på alle overflader af stakken af dielektriske elastomerer, og den er forskellig for hver overflade, da varmeovergangstallet er afhængigt af, om overfladen er vertikal eller horisontal, samt om den er øverst eller nederst.Det skal nævnes, at modellen og resultaterne der præsenteres i denne artikel, er indledende resultater. Modellen tager ikke højde for, at stakken af dielektriske elastomerer deformerer, når den aktiveres. Det vil sige, at det antages, at stakken er statisk. Ydermere medtages elektroderne heller ikke, da det antages, at elastomeren er den begrænsende faktor i forhold til varmeledning, da elektroderne er cirka 1.000 gange tyndere end elastomererne. Som en sidste bemærkning skal det nævnes, at det antages, at der ingen urenheder er i elastomeren. Dette er en grov antagelse, da der altid vil være små urenheder i form af små lufthuller eller partikler i elastomeren, som vil forværre materialets holdbarhed signifikant.

Høj og tynd stak
Det er relativt nemt at ændre stakkens dimensioner under produktion, og derfor undersøges det, hvordan stakkens diameter påvirker sammenbrud af stakken. Ved en lille diameter er der ideelt set ingen grænse for, hvor mange lag man kan have i en stak, som det ses i figur 2, da varmekonvektionen fra overfladen af stakken altid vil være tilstrækkelig stor til at balancere den varme, der produceres i stakken. Antallet af lag man kan have i en stak, før der sker et sammenbrud, kaldes sammenbrudspunktet. Med stigende diameter nærmer sammenbrudspunktet sig et plateau omkring 2.800 lag, svarende til sammenbrudspunktet, hvis den krumme overflade af den cylindriske stak er termisk isoleret.

Det påførte elektriske felt
En anden parameter, der kan justeres, er det elektriske felt, der påføres til stakken af dielektriske elastomerer. Det elektriske felt, E, er en funktion af den påførte spænding og tykkelsen af elastomer laget, givet ved:

formel 3 (3)
Fra figur 3 ses det, at sammenbrudspunktet falder med stigende elektrisk felt. Dette skyldes, at mængden af genereret varme i stakken stiger med stigende elektrisk felt, hvorfor et lavt elektrisk felt er at foretrække for en stak af dielektriske elastomerer i forhold til at mindske sammenbrud.

Musklerne påvirkes af omgivelsernes temperatur
Den sidste parameter, der er blevet undersøgt i dette studium, er temperaturen af omgivelserne, hvori stakken af dielektriske elastomerer er placeret. Som det ses af figur 4, falder sammenbrudspunktet, når omgivelsernes temperatur stiger. Dette skyldes, at drivkraften til at fjerne varme fra overfladen af stakken er forskellen mellem temperaturen på overfladen af stakken og temperaturen i omgivelserne. Fra figur 4 kan det ses, at antallet af mulige lag falder med cirka 1.800 lag på blot en 20°C stigning i temperatur, hvilket er en overraskende stor effekt.

Ideelle resultater 
Som tidligere nævnt, er disse resultater opnået ved simulering af et simplificeret og idealiseret system. Bl.a. er deformationen af stakken af dielektriske elastomerer ikke medtaget, og ydermere er det antaget, at elastomeren ikke indeholder nogen former for urenheder. Resultaterne, præsenteret i denne artikel, kan derfor ikke bruges til at bestemme, hvor mange lag man kan have i sin dielektriske elastomer, men de kan bruges til at beskrive tendenserne i sammenbrudspunktet, når henholdsvis diameteren, det elektriske felt eller omgivelsernes temperatur ændres. Det næste skridt er at fjerne de ovenfor nævne simplificeringer fra modellen, hvorved det forventes, at værdierne for sammenbrudspunktet falder drastisk. Dette skyldes, at urenheder i materialet leder til en langt større risiko for sammenbrud, samt at deformation af materialet mindsker tykkelsen af hvert elastomerlag, hvilket leder til et øget elektrisk felt og dermed også øget genereret varme.

Referencer
1. F. Madsen, A. Daugaard, S. Hvilsted & A. Skov. (2016) Macromolecular Rapid Communications. 37 (5), 378-413.
2. A. Wattez & R. Kessel. (2016) Offshore Technology Conference. May, 1-14.
3. L. Dissado & J. Fothergill. (1992) Electrical Degradation and Breakdown in Polymer. 1st ed. London. Peter Peregrinus Ltd.
4. C. Senders, T. Tollefson, S. Curtiss, A. Wong-Foy & H. Prahlad. (2010) Archives of Facial Plastic Surgery. 12 (1), 30-36.5. H. Böse, E. Fuß, J. Ehrlich. (2015) Proceedings of AMA. A2.2, 55-60.

Dielektriske elastomerer består af en tynd elastisk polymerfilm (en elastomer), sammenklemt imellem to fleksible elektroder. Når der påføres en elektrisk spænding over elektroderne, vil de to modsatrettede elektroder tiltrække hinanden, hvilket resulterer i, at elastomeren tyndes, men udvides i areal. Når den elektriske spænding kobles fra igen, vil materialet vende tilbage til sin originale form.
Bølge-energi-høster udviklet af SBM Offshore. Energi-høsteren består af en lang tube af dielektriske elastomerer, der deformeres som følge af påvirkning fra havbølgers bevægelse. Disse mekaniske deformationer omdannes til elektrisk energi, der kan udvindes med en effektivitet tæt på 100% [2]. Foto: SBM Offshore.
Stimulering af et beskadiget øjenlåg med en øjenlågsslynge tilkoblet en dielektrisk elastomer. Når det fungerende øjenlåg blinker, sendes et signal til batteriet om at aktivere den dielektriske elastomer, og derved få det lammede øjenlåg til at blinke [4].  Illustration: Senders et al. [4].
En måtte bestående af dielektrisk elastomer sensorer kan bruges til at detektere vægt og placering af en person i et bilsæde, og ud fra dette justere, med hvilken kraft airbaggen skal udløses i tilfælde af et uheld. Ved hjælp af denne teknologi kan skaderne fra en udløst airbag mindskes [5].Foto: Thieury/Shutterstock

Skrevet i: Kemiteknik

 

Seneste nyt fra redaktionen

Flere midler til Unibios metan-til-protein produktionsteknologi

Branchenyt13. 12. 2019

Unibio International plc har rejst yderligere kapital fra Mitsubishi Corporation. - Vi er meget glade for at byde Mitsubishi velkommen som aktionær og partner, udtaler Unibio Group CEO Henrik Busch-Larsen. Med hensyn til den alternative proteinforretning, som Mitsubishi Corporation vil udvikle

Tog daglige prøver fra å-løb i 79 år

Aktuelt11. 12. 2019

Ofte tager videnskabelige resultater tid, men det er alligevel de færreste resultater, der bunder i daglige prøvetagninger gennem hele 79 år. Det er ikke desto mindre tilfældet i forbindelse med et studie, der gik ud på at finde ud af, hvorfor svenske søer og vandløb bliver mere og mere brune med

To farlige sprøjtemidler forbydes nu i EU

Branchenyt10. 12. 2019

Efter stort pres fra Danmark er det lykkedes at få vedtaget et EU-forbud mod brug af chlorpyrifos og chlorpyrifos-methyl, der er mistænkt for at skade arveanlæggene og hjernens udvikling hos børn og fostre, det skriver Miljø- og Fødevareministeriet i en pressemeddelelse. Sprøjtemidlerne

Teknologi kan forlænge frugt og grønts holdbarhed

Branchenyt10. 12. 2019

I forsøget på at begrænse madspild tester Salling Group, som de første i Danmark, nu en ny teknologi, der kan beskytte og forlænge holdbarheden på grøntsager og frugter markant. Det sker ved hjælp af en usynlig, spiselig plantebelægning, der tilføres fødevarernes overflade, så de ganske enkelt

Frank Møller Aarestrup blandt verdens mest indflydelsesrige

Branchenyt10. 12. 2019

Professor og antibiotikaresistensekspert Frank Møller Aarestrup fra DTU Fødevareinstituttet er ifølge Clarivate Analytics blandt de mest indflydelsesrige videnskabsfolk i verden. Det amerikanske analysefirma Clarivate Analytics offentliggør hvert år en ”Highly Cited Researchers”-liste over

Det Europæiske Forskningsråd giver 135 mio. kr. til danske forskere

Branchenyt10. 12. 2019

Ni topforskere fra Danmark har netop tilsammen modtaget 135 millioner kroner til banebrydende forskning. De ni bevillingsmodtagere fordeler sig med fem på Københavns Universitet (KU), tre på Aarhus Universitet (AU) og en på Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Forskernes banebrydende idéer

Kemien i gin

Aktuelt10. 12. 2019

Julefrokosterne er i gang og måske har du også suppleret julesnapsen med gin og tonic. Gin indeholder en masse forskellige terpener, som hovedsageligt stammer fra de enebær, der bruges i ginproduktionen. Hertil kan blandt andet nævnes limonen og pinen. Synes du, at gin smager lidt af gran, er

Tyggegummi viser vejen til graviditet

Top10. 12. 2019

Tyg lidt tyggegummi, se på dets farve, og så er det ellers bare at hive fat i manden. Det handler om øget chancer for at blive gravid og en idé, der så at sige er undfanget på Københavns Universitet af et ungt forskerhold som deres adgangsbillet til de uofficielle verdensmesterskaber i

De vigtige 8 T’er for startups

BranchenytTop04. 12. 2019

Mange nye idéer ser første gang dagens lys på universiteterne, men vejen fra idé til en succesfuld virksomhed kan være lang. Det afhænger naturligvis af virksomhedens type og kapitalkrav. Handler det om kapitaltunge virksomheder inden for bioteknologi kan løsningen med venturekapital være vejen

Dansk bioenergi omsætter for 39 milliarder kroner

Branchenyt04. 12. 2019

Bioenergi får større og større betydning i Danmark, og antallet af virksomheder, der beskæftiger sig med bioenergi, vokser støt, viser en kortlægning foretaget af DI Bioenergi og Innovationsnetværket for Bioressourcer (INBIOM). Analysen af bioenergiens samfundsmæssige betydning for Danmark viser,

Tilmeld Nyhedsbrev


Arkiv over seneste nyhedsbreve




Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DiaLabXpo

    DiaLabXpo vil være med til at bringe dansk Life Science ind i fremtiden

  • Holm & Halby

    Fokus på laboratoriefrysere, racks og serviceydelser

  • Holm & Halby

    Dansk producent af LAF hos Holm & Halby

  • DENIOS ApS

    Du må Oluf Sand(e), at det er saltetid

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    Laboratorieteknik for alle

  • DiaLabXpo

    Derfor skal du være en del af DiaLabXpo 2020

  • DENIOS ApS

    Gå glad i nødbrusebad og syng jubiduæh

  • DENIOS ApS

    Kender I den om DENIOS, DENIOS med den røde tud?

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    Spændende faglige events med Dansk Laborant-Forening

  • A/S Ninolab

    Smart2Pure Pro – Vandanæg fra Thermo Fisher

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Flere midler til Unibios metan-til-protein produktionsteknologi

    13.12.2019

  • Tog daglige prøver fra å-løb i 79 år

    11.12.2019

  • To farlige sprøjtemidler forbydes nu i EU

    10.12.2019

  • Teknologi kan forlænge frugt og grønts holdbarhed

    10.12.2019

  • Frank Møller Aarestrup blandt verdens mest indflydelsesrige

    10.12.2019

  • Det Europæiske Forskningsråd giver 135 mio. kr. til danske forskere

    10.12.2019

  • Kemien i gin

    10.12.2019

  • Tyggegummi viser vejen til graviditet

    10.12.2019

  • De vigtige 8 T’er for startups

    04.12.2019

  • Dansk bioenergi omsætter for 39 milliarder kroner

    04.12.2019

  • Nye lovregler på vej: Kvalitetsrengøring afgørende i Life Science

    04.12.2019

  • Grundstoffer fra A til Z: silicium

    04.12.2019

  • NERD! 300 millioner kroner til kreative forskeres vilde ideer

    03.12.2019

  • Pyrolyse-plasten vinder frem

    02.12.2019

  • Fæcestransplantation er ikke et gør-det-selv job

    02.12.2019

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk

Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Denne hjemmeside benytter cookies.Acceptér Reject Læs mere om vores brug af cookies her:Brug af cookies
Cookies

Necessary Always Enabled