GLI ADESIVI ELETTRICAMENTE CONDUTTIVI OGG

6.2.1 Sviluppo di un adesivo conduttivo per le interfacce Human Machine

I robot ed i relativi equipaggiamenti sono impiegati in svariati ambienti, dal domestico a quello chirurgico, e per essere più adeguati alle funzioni per i quali son stati progettati, si stanno studiando nuovi materiali morbidi che simulino il funzionamento ed il comportamento della pelle umana. Tali materiali devono garantire la capacità di percezione delle informazioni che arrivano dall’esterno: viene richiesta estrema morbidezza e flessibilità per le future interfacce “human machine”. Quindi la pelle non diviene più una semplice copertura, ma è assimilabile ad un dispositivo elettronico contenente molti

In questo paragrafo verrà mostrato come è stata prodotta una pelle artificiale contenente una rete organizzata da un alto numero di sensori per robot umanoidi [6.14]. Il processo di fabbricazione della pelle artificiale può essere espresso con il seguente diagramma di flusso (figura 6.23).

Figura 6.23: realizzazione della pelle artificiale

Per lo sviluppo è stato scelto un substrato di silicone (100 mm x 100 mm x 2 mm di spessore), che viene sottoposto ad un trattamento per il miglioramento delle proprietà adesive della propria superficie. I sensori per la rilevazione degli impulsi esterni sono stati realizzati tagliando un foglio di polivinildene floruro1

1 _{Polimero termoplastico con la peculiarità di essere piezoelettrico}

(PVDF) in settori di 4 mm x 4 mm x 28 μm di spessore. Prima del processo di taglio il film di materiale piezoelettrico (PVDF), usato per la realizzazione dei sensori, viene invecchiato @60°C o @125°C per 1 h in un forno a convezione e posto tra blocchi di metallo per mantenere la planarità evitando così increspature dovute al calore. Come elemento innovativo sono stati sviluppati connessioni ed interconnessioni elettriche super flessibili usando adesivi elettricamente [6.15]: tale

materiale è costituito da un polimero, silicone-based binder2 [6.12], con un riempitivo metallico costituito da grani di tipo fiocco (flakes) in argento. La resina viene deposta sul substrato di silicone, precedentemente trattato, al fine di creare fili ed interconnessioni. Per garantire piste di connessione altamente precise ed omogenee viene utilizzato un dispenser robot; dopo la deposizione e formazione dei fili connettivi (ancora nello stato liquido) e l’assemblaggio dei sensori di PVDF, l’intero foglio di (100 mm x 100 mm x 2 mm di spessore), viene sottoposto alla curing per poter rendere le piste e le connessioni elettricamente conduttive. Successivamente il foglio viene ricoperto da una gomma siliconica per proteggere la circuiteria ed i sensori interni. In figura 6.24 viene mostrato il prototipo di pelle artificiale.

Figura 6.24: foglio di pelle artificiale

Preliminarmente alla realizzazione del prototipo finale sono stati condotti molti studi su ogni singolo materiale utilizzato. In figura 6.25 viene riportato un prototipo esemplificativo di pista di adesivo conduttivo a base di silicone e si può notare come possa essere allungato facilmente.

Figura 6.25: allungamento dell’adesivo conduttivo su substrato di silicone

Questo tipo di materiale elastico è stato caratterizzato: le misurazioni hanno valutato la conduttività elettrica dell’adesivo con il metodo delle sonde a quattro punti (metodo volt- amperometrico): le misurazioni sono state realizzate al fine di valutare il mantenimento delle prestazioni elettriche durante e dopo test di trazione/allungamento eseguiti impostando una velocità di trazione di 8,33 μm/s a temperatura ambiente (figura 6.26).

I due adesivi proposti sono stati sottoposti a curing @100°C e @80°C per 5 ore; nella figura si può vedere anche il risultato ottenuto con una resina epossidica elettricamente conduttiva polimerizzata @150°C per 30 minuti: quest’ultima si rompe anche con piccoli allungamenti a causa della sua bassa elasticità. Al contrario la conducibilità elettrica nell’adesivo silicone-based binder è stata misurata anche per allungamenti del 180% (possibili con il curing @100°C); con un curing eseguito @80°C si hanno allungamenti inferiori, ma comunque idonei per l’applicazione della pelle artificiale. Nonostante gli adesivi silicone-based binder abbiano mostrato una buonissima flessibilità, la resistività elettrica è piuttosto alta comparata con quella degli ICAs; come strategia per l’incremento dell’area di contatto tra la particelle di fillers (e quindi l’aumento delle performance elettriche) vengono usati micro-flakes di Ag e nano particelle di Ag.

Un inconveniente tuttora sotto studio riguarda il miglioramento della stabilità termica dei sensori in PVDF. La temperatura di curing di tale materiale piezoelettrico deve essere limitata a basse temperature a causa della criticità, che questa comporta in relazione alla soglia di Curie. Infatti, la piezoelettricità del film in PVDF dipende dal contenuto di materiale ferroelettrico e per temperature superiori a 70°C si innesca un meccanismo di decomposizione micro strutturale e di restringimento (fenomeno dello “shrinkage”).

Se si considera che con la fase di curing delle piste di adesivo elettricamente conduttivo a base di silicone possono essere superati i 70°C, questa fase risulta critica dal punto di vista progettuale ed elettrico. Il restringimento del materiale piezoelettrico di PVDF può causare la rottura o il distacco tra le piste di adesivo in silicone based-binder ed i sensori stessi. Per risolvere il problema del restringimento e del deterioramento del PVDF, il film prima del processo di taglio meccanico per l’ottenimento dei sensori viene invecchiato @125°C. Secondo gli ultimi studi tale fase di post-curing non compromette sensibilmente le proprietà piezoelettriche del PVDF. Così facendo i sensori a film risulteranno già ritirati (shrank) e nei successivi curing si avranno solo piccoli restringimenti. Con questa accortezza si possono evitare rotture delle interconnessioni durante i processi di curing delle pelli artificiali, prevedendo anche processi di invecchiamento @150°C. Per quanto concerne le misure sperimentali sulla sensibilità della pelle artificiale si riporta l’andamento della risposta dopo un contatto sul foglio di sensori in PVDF (figura 6.27).

Figura 6.27: risposta piezoelettrica della pelle artificiale

Si può vedere come il riconoscimento del contatto sulla pelle artificiale e la conseguente risposta elettrica intervenga dopo 300 ms, in linea con i 200 ms del corpo umano.

I materiali usati per gli adesivi conduttivi super-flessibili, la distribuzione e la dimensione delle particelle usate come filler, devono essere studiati per formare circuiti con più alta affidabilità. Sulla base della letteratura e degli studi effettuati durante questo lavoro di tesi, si può consigliare l’uso delle nanoparticelle di argento, in quanto offrono migliore conducibilità elettrica ed anche perché gli ossidi d’argento, che potrebbero formarsi, per loro natura sono conduttivi. Per quanto riguarda la forma e la dimensione sarebbe preferibile usare nanoparticelle porose e di forma alquanto irregolare per quegli sviluppi e quelle applicazioni che devono supportare forti stress meccanici; grazie alla porosità della nanoparticella la matrice del polimero può aderire più efficacemente a quest’ultima e, quindi, la formulazione complessiva risulta più resistente. Inoltre è preferibile avere un tasso di purezza elevato, e una fabbricazione con tolleranze rigide, per evitare la formazione di ossidi o fenomeni di elettromigrazione, che portano un degrado delle caratteristiche dell’adesivo conduttivo.