IPMC电化学驱动器、其制备方法及应用技术

技术编号:14354774 阅读:289 留言:0更新日期:2017-01-07 17:59
本发明专利技术公开了一种IPMC电化学驱动器、其制备方法及应用。所述制备方法可以包括:提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜,并以碳纳米管膜、含导电聚合物单体的酸性溶液及辅助电极等构建三电极反应体系而进行电沉积反应,通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小、反应时间等条件,获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜;提供承载离子液体的聚合物电解质层;以及,将所述电解质层固定夹设于两个复合电极膜之间,从而获得所述IPMC电化学驱动器。本发明专利技术的IPMC电化学驱动器具有优异电机械响应性能,比如致动位移大、响应速率快、稳定性高、使用寿命长,在仿生智能材料领域具有广泛应用前景,且制备工艺简单,成本低廉,适于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种IPMC电化学驱动器及其制备方法,特别涉及一种基于垂直取向碳纳米管/导电聚合物复合电极的电化学驱动器及其制备方法,其可应用于制作人工肌肉等,属于材料科学领域。
技术介绍
离子型电活性聚合物是一类能够在电场下,通过材料内部离子输运和重新分布产生形变的聚合物材料,近来,由于其轻质、柔性以及可获得大的致动形变,在智能机器人,微机电系统和工业电机械转换系统等方面得到了广泛的关注。在过去的几十年中,基于导电聚合物、聚合物凝胶和离子聚合物金属复合材料(IonicPolymerMetalComposites,IPMC)的离子型电活性聚合物,由于它们能在较低的电压下表现出大的形变和空气中稳定性而被人们广泛研究着。其中,IPMC在同等条件下,表现出的弯曲形变和响应速率远远优于聚合物凝胶和导电聚合物,因此在人工肌肉领域被广泛研究着。该智能材料由两电极层以及夹在两电极层之间的离子导电聚合物电解质层组成,其致动过程主要受电场下离子在电极层中的累计和在电解质层中的扩散迁移控制。因此快速的离子输运和电极中过量的离子储存,是获得快速大应变响应驱动器的重要条件。然而受限于离子在电解质层中的输运过程,大形变响应的时间会很长。因此,构筑即快速响应又能大形变致动的IPMC驱动器,仍任具有很大的挑战。近来,碳管、石墨烯以其独具的大比表面积、优异的电学、力学、热学、电化学等优越性能,成为科研各领域的研究热点,尤其在IPMC电化学驱动器领域,随着碳纳米管、石墨烯在电极中的引入,驱动器的电机械响应特性得到了质的提高。比如,Asaka课题组利用毫米长单壁碳纳米管高的导电性(169S/cm)和强的力学性能(杨氏模量为156±59MPa),制备的驱动器表现出高的应变和应力速度输出(2.28%/s,3.26MPa/s)。同时,我们课题组利用多孔二维石墨烯的层状结构,从而有利于离子的嵌入迁出电极,制备了高性能的驱动器。但是,低维纳米碳材料的由于其低的电化学活性,导致驱动器的形变能力无法进一步提高,然而导电聚合物具有高的电化学活性,但是导电率较低,很难获得高性能的IPMC器件。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的主要目的在于提供一种IPMC电化学驱动器及其制备方法。为实现前述专利技术目的,本专利技术一实施方案之中提供的一种IPMC电化学驱动器的制备方法包括:提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜,并以所述碳纳米管膜作为工作电极,以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液,同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应,其中通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小和反应时间中的任一种或两种以上条件,从而获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜;提供承载离子液体的聚合物电解质层;以及,将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜之间,从而获得所述IPMC电化学驱动器。作为较佳实施方案之一,所述制备方法包括:将碳纳米管粉体分散于有机溶剂形成浓度为0.1~20mg/ml的碳纳米管分散液,再将碳纳米管分散液置于衬底上于20~150℃蒸发除去溶剂而形成所述碳纳米管膜。较为优选的,所述电解液包含浓度为0.001~1M的导电聚合物单体。其中,所述导电聚合物单体可优选自但不限于苯胺、吡咯和3,4-乙烯二氧噻吩中的任一种或两种以上的组合。较为优选的,所述酸性溶液包含浓度为0.1~10M的酸性物质。其中,所述酸性物质可优选自但不限于高氯酸、硫酸、盐酸、樟脑磺酸、对甲苯磺酸中的任一种或两种以上的组合。作为较佳实施方案之一,所述电沉积反应中采用的电流密度为0.001~100mA/cm2,电压为0.75~1.2V,时间为5min~50h。作为较佳实施方案之一,所述制备方法包括:将聚合物与离子液体溶于有机溶剂中形成混合溶液,并取混合溶液置于衬底上于30~200℃蒸发除去溶剂而形成所述电解质层。较为优选的,所述电解质层包含5wt%~80wt%离子液体。其中,所述离子液体的阳离子包括季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子中的任一种或两种以上的组合,阴离子包括卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子中的任一种或两种以上的组合。尤其优选的,所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亚胺盐。进一步的,所述聚合物可优选自但不限于热塑性聚氨酯、聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)、壳聚糖、全氟磺酸中的任一种或两种以上的组合。作为较佳实施方案之一,所述制备方法包括:将至少一所述电解质层设于至少两个所述复合电极膜之间,再通过热压方式而使该至少一电解质层和该至少两个复合电极膜固定结合,从而获得所述IPMC电化学驱动器。较为优选的,前述的热压温度为40℃~200℃,热压方式包括一步热压或逐步热压方式。其中,所述有机溶剂可优选自但不限于N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮中的任一种或两种以上的组合。其中,所述衬底可优选自但不限于金属、玻璃、陶瓷、硅、聚四氟乙烯衬底中的任一种。其中,所述辅助电极可优选自但不限于铂片。其中,所述参比电极可优选自但不限于饱和Ag/AgCl电极。本专利技术的一实施例之中还提供了由前述任一种方法制备的IPMC电化学驱动器。进一步的,所述电化学驱动器的驱动电压为-6~6V,响应频率为0.001~100Hz,且所述驱动电压包括方波、三角波、正弦波电压中的任一种。本专利技术的一实施例中还提供了所述IPMC电化学驱动器的用途。例如,作为应用方案之一,本专利技术提供了一种仿生装置,其包括所述的IPMC电化学驱动器。其中,所述仿生装置包括人工肌肉,当然也可以是离子皮肤等等。与现有技术相比,本专利技术的优点包括:(1)提供的IPMC电化学驱动器制备方法具有成本低廉、工艺简单、易于大规模生产等优势;(2)提供的IPMC电化学驱动器表现出优异的电机械响应性能,比如大的致动位移、快的响应速率、高的稳定性和高的使用寿命,在仿生智能材料领域具有广泛应用前景,例如可应用于制备昆虫翅膀、盲文显示,医疗导管等。附图说明图1为本专利技术一典型实施方案之中一种基于垂直取向碳纳米管/导电聚合物复合电极的IPMC电化学驱动器的制备工艺流程图;图2为实施例1中垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极材料的截面扫面电镜图;图3为实施例1中垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极材料的拉曼光谱图;图4为实施例1中IPMC驱动器在方波电压为±3V,频率范围为0.01~50Hz时,最大致动位移随频率的变化曲线图;图5为本实施例1中IPMC驱动器在方波电压为3V,频率为30Hz下的弯曲位移曲线图。具体实施方式本专利技术的一个方面提供了一种基于垂直取向碳纳米管/导电聚合物复合电极的IPMC电化学驱动器的制备工艺,其可以包括:提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜,并以所述碳纳米管膜作为工作电极,以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液,同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应,其中通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小和反应时间中的任一种或两种以上条件,从而获得碳纳米管阵列与导电高分子复合电极膜;提供承载离子液体的聚合物电解质层,以及,将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于包括:提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜,并以所述碳纳米管膜作为工作电极,以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液,同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应,其中通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小和反应时间中的任一种或两种以上条件,从而获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜;提供承载离子液体的聚合物电解质层;以及,将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜之间,从而获得所述IPMC电化学驱动器。

【技术特征摘要】
1.一种IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于包括:提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜,并以所述碳纳米管膜作为工作电极,以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液,同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应,其中通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小和反应时间中的任一种或两种以上条件,从而获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜;提供承载离子液体的聚合物电解质层;以及,将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜之间,从而获得所述IPMC电化学驱动器。2.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于包括:将碳纳米管粉体分散于有机溶剂形成浓度为0.1~20mg/ml的碳纳米管分散液,再将碳纳米管分散液置于衬底上于20~150℃蒸发除去溶剂而形成所述碳纳米管膜。3.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于所述电解液包含浓度为0.001~1M的导电聚合物单体,所述导电聚合物单体包括苯胺、吡咯和3,4-乙烯二氧噻吩中的任一种或两种以上的组合。4.根据权利要求1或3所述IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于所述酸性溶液包含浓度为0.1~10M的酸性物质,所述酸性物质包括高氯酸、硫酸、盐酸、樟脑磺酸、对甲苯磺酸中的任一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于所述电沉积反应中采用的电流密度为0.001~100mA/cm2,电压为0.75~1.2V,时间为5min~50h。6.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法,其特征在于包括:将聚合物与离子...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈韦武观
申请(专利权)人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
类型:发明
国别省市:江苏;32

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