Humidity-responsive layered self-actuator

This project aims to develop and characterize a low-cost humidity-responsive self-actuator that exploits the dimensional variation mismatch between a hygroscopic material (used as an active layer for coating) and a non or less-hygroscopic substrate, due to changes in the humidity level of the environment. For this goal, a cellulose-based polymer, namely a cellulose acetate (CA), was chosen as a highly hygroscopic material. A systematic investigation of cellulose acetate membrane fabrication to produce the appropriate membrane for the project's intended purpose was performed. The effect of the type of solvent adopted for CA solution preparation, CA concentration, casting process, and solvent evaporation method was analyzed. After optimizing the manufacturing process of cellulose acetate membranes, surface morphology, thermal, and mechanical properties of the membranes are studied. The hygroscopic behavior of this material and the parameters governing the moisture diffusion process and the relevant material expansion are investigated. Material properties such as moisture diffusion coefficient, moisture concentration at saturation and moisture absorption induced expansion were evaluated. The moisture diffusion in cellulose acetate membranes has been investigated via gravimetric measurements and the dependency of the CA moisture concentration at saturation on the environment's humidity level was characterized. The non-Fickian behavior of moisture diffusion in cellulose acetate membranes was characterized using an analytical model, which enabled the influence of both membrane thickness and relative humidity level to be considered across a wide range of the experimental campaign. A finite element model has been developed to predict this non-Fickian behavior. The moisture absorption induced expansion of cellulose acetate membranes has been characterized as a function of relative humidity via Thermomechanical Analysis (TMA). A finite element model that combines the moisture diffusion process and the hygroscopic mechanical deformation induced in the membrane is presented. Finally, the response of a humidity-responsive bilayer self-actuator consisting of the characterized cellulose acetate membrane as active layer and a non-hygroscopic substrate was investigated. The bending curvature induced in the bilayer composite by an environment humidity variation was compared to a generally used analytical model, which is complemented by a finite element model.

Questo progetto mira a sviluppare e caratterizzare un auto-attuatore reattivo all'umidità a basso costo che sfrutta la variazione dimensionale tra un materiale igroscopico (utilizzato come strato attivo) e un substrato non o meno igroscopico, causata da una variazione del livello di umidità dell'ambiente. A questo scopo, come materiale altamente igroscopico è stato scelto un polimero a base di cellulosa, in particolare un acetato di cellulosa (CA). È stata condotta un'indagine sistematica sulla preparazione di membrane di acetato di cellulosa a partire da soluzione, con particolare attenzione al tipo di solvente adottato, alla concentrazione di CA, al processo di dissoluzione ed al metodo di evaporazione del solvente. Dopo aver ottimizzato il processo di produzione delle membrane di acetato di cellulosa, il materiale è stato caratterizzato dal punto di vista termico e meccanico. Sono stati studiati il comportamento igroscopico di questo materiale e i parametri che regolano il processo di diffusione dell'umidità e la relativa espansione. Sono state valutate proprietà del materiale come il coefficiente di diffusione dell'umidità, la concentrazione di umidità a saturazione e l'espansione indotta dall'assorbimento di umidità, per livelli diversi di umidità dell’ambiente. La diffusione dell'umidità nelle membrane di acetato di cellulosa è stata studiata mediante misure gravimetriche.. L’acetato di cellulosa considerato mostra un comportamento non-fickiano per quanto riguarda la diffusione dell'umidità che è stato caratterizzato utilizzando un modello analitico, che ha permesso di considerare l'influenza dello spessore della membrana e del livello di umidità relativa sul processo di diffusione in un ampio intervallo. Inoltre, è stato sviluppato un modello a elementi finiti per prevedere il comportamento diffusivo non-fickiano. L'espansione indotta dall'assorbimento di umidità delle membrane di acetato di cellulosa è stata caratterizzata mediante analisi termomeccaniche (TMA).È stato sviluppato un modello agli elementi finiti che combina il processo di diffusione dell'umidità e la deformazione igroscopica indotta nella membrana. Infine, è stata studiata la risposta di un auto-attuatore sensibile all'umidità, costituito dall’accoppiamento di una membrana di acetato di cellulosa agente come strato attivo e da un substrato non igroscopico. La curvatura dell’auto-attuatore indotta da variazioni di umidità dell’ambiente è risultata essere in ottimo accordo con le previsioni del modello a elementi finiti proposto.