Développement d'actionneurs électroactifs ioniques avec une meilleure adhérence interfaciale : vers la fabrication de muscles artificiels imprimables jet d'encre

Development of ionic electroactive actuators with improved interfacial adhesion : towards the fabrication of inkjet printable artificial muscles

• Auteur / Autrice : Aiva Simaite
• Direction : Christian Bergaud, Bertrand Tondu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanosystèmes
• Date : Soutenance le 24/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Frederic Morancho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Bergaud, Bertrand Tondu, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Cattan, Stephane Regnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actionneurs

Fluorure de polyvinylidène

Polymères

Mots clés libres

PEDOT

Adhésion

Jet d'encre

Muscles artificiels

Actionneurs ioniques

PSS

PVDF

PEDOT

PSS

PVDF

Ionic actuators

Accession

Inkjet

Artificial muscles

Résumé

Les actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques constituent une alternative prometteuse par rapport aux actionneurs conventionnels, en particulier lorsqu’une réponse comparable à celle d’un muscle naturel est recherché. Parmi eux, les actionneurs à base de polymères conducteurs constituent une voie prometteuse pour des applications biomédicale où la biocompatibilité, la compacité et un positionnement précis sont requis. Néanmoins, l’essor de dispositifs fonctionnels est fortement ralenti en raison de la faible efficacité d’actionnement et de la rapide dégradation des performances de ce type d’actionneurs. L’absence de rétroaction sur la force ou sur la position est également un autre aspect limitant le développement de cette approche. L’objectif de cette thèse est de proposer une technique de fabrication à grande échelle pour l’élaboration d’actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques et permettant également l’intégration de capteurs pour un contrôle rétroactif. L’impression par jet d’encre est une technologie clé pour le dépôt de polymères et une des plus alternatives les plus prometteuses pour la production d’actionneurs à base de polymères conducteurs. Cependant, la fabrication d’actionneurs par technique jet d’encre n’est pas encore totalement maîtrisée à cause des propriétés rhéologiques des solutions de polymères conducteurs qui rendent difficile le contrôle de l’éjection de gouttes mais également en raison de la nature complexe des interactions entre la solution et l’échantillon qui peut conduire à une faible adhésion et un mauvais contrôle de l’infiltration de l’encre. Pour optimiser cette méthode de fabrication, des membranes hybrides contenant des ions ont été développées. Le greffage d’un monomère hydrophile par plasma argon avec un dépôt contrôlé en profondeur a été utilisé pour obtenir des membranes en polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec des surfaces hydrophiles tout en conservant une zone centrale hydrophobe. Ces membranes hybrides ont permis d’obtenir, par dépôt de gouttes, des actionneurs de morphologies très variées à base de polymères conducteurs. En outre, la durée de vie d’actionneurs obtenus avec une solution conductrice de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) a été sensiblement augmentée avec des déformations de plus de 0.6% sans qu’aucun signe de délamination ne soit perceptible. Enfin, la nature complexe des mécanismes physico-chimiques à l’origine des interactions entre le film polymère et la membrane poreuse a été mieux appréhendée durant ce travail. Les conditions nécessaires pour assurer une forte adhésion et les effets conduisant à un mauvais contrôle de l’infiltration ont été partiellement identifiés. Ces résultats ont permis de définir les paramètres clés concernant la préparation de la membrane et la composition de la solution polymère. En associant l’ensemble de ces résultats avec les exigences liées à l’utilisation de l’impression de solutions par jet d’encre, nous avons réalisé, en utilisant cette technique de dépôt, les premiers actionneurs ioniques à base de PEDOT:PSS.

Onic electroactive polymer based artificial muscles are promising alternative to traditional actuators, especially where compliant muscle-like response is desirable. Among them, conducting polymer actuators (CPAs) are most promising for biomedical applications, where biocompatibility, compactness and accurate positioning is essential. Nevertheless, development of applicable devices is hold down by their low efficiency and fast performance deterioration. The absence of a tactile, force or position feed-back is another feature limiting the development of functional devices. The goal of this thesis is to develop a fabrication technique for conducting polymer based actuators that could be up-scalable and enable facile integration of sensory feedback. Inkjet printing is key technology in the field of defined polymer deposition as well as in fabrication of strain sensors. It is also one of the most promising alternatives to prevalent fabrication of conducting polymer actuators. Nevertheless, inkjet printed actuators were not yet realized due to rheological properties of conducting polymer solutions that challenge jetting and the complex solution - membrane interactions, that lead to poor adhesion or uncontrolled infiltration. In order to enable this fabrication method, hybrid ion-storing membranes were developed. Argon plasma induced grafting-to of hydrophilic macromonomer with limited-indepth deposition was used to obtain polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes with hydrophilic upper surfaces and hydrophobic centre. Functionalized PVDF membranes were shown to withhold good adhesion to the conducting polymer films and preserve electrically insulating layer in between them. Hybrid membranes were demonstrated to be advantageous in fabrication of CPAs by drop casting and enable production of actuators with various morphologies. Furthermore, fabricated poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) based actuators demonstrated long lifetime with no signs of delamination as well as large strain of more than 0.6%. In addition, the complex nature of the physico-chemical mechanisms of the interactions between the polymer film and the porous membrane was better understood during this work. The conditions necessary in order to ensure strong adhesion as well as circumstances leading to uncontrolled infiltration were partially identified. These were used to set up limits to membrane preparation and polymer solution composition. Combining obtained knowledge with known requirements for inkjet printable solutions lead to the realization of the first inkjet printed PEDOT:PSS based ionic actuators.