一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料及其制备方法，该IPMC基体膜内包含连续可控的孔道结构，采用泡沫金属嵌入Nafion基体膜浇铸成型而后去除的方法获得，孔道尺寸由泡沫金属的尺寸决定；相较于传统浇铸Nafion膜中水分子迁移的孔道为1‑2 nm而不适合尺寸相对较大的离子液体迁移，本发明专利技术中基于泡沫金属的多孔道Nafion膜的孔道尺寸大于离子液体的尺寸，有利于外加电场作用下离子液体的迁移，从而大大提高IPMC的驱动稳定性，在空气中持续作动5 h位移仍不降低。

Porous metal based IPMC electrically actuated material based on foamed metal and preparation method thereof

The invention discloses a porous metal foam IPMC electroactive material and its preparation method based on continuous and controllable pore structure contains the IPMC matrix membrane, the foam metal embedded in Nafion matrix membrane casting molding method is then removed, pore size is determined by the size of metal foam; compared with the traditional casting Nafion film of water the 1 molecular migration channel 2 nm and is not suitable for relatively large size of ionic liquid transfer, porous Nafion film of metal foam pore size is larger than the ionic liquid based on the size of the invention, is conducive to the external electric field under the effect of migration of ionic liquids, thus greatly improve the driving stability of IPMC in air. For the 5 h displacement is still not reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料及其制备方法
本专利技术涉及一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料及其制备方法，属于智能材料领域。
技术介绍
IPMC（IonicPolymerMetalComposite）是一种离子型的EAP材料，它是在离子交换聚合物薄膜的基材表面沉积铂（Pt）、金（Au）等贵金属而获得的有机-无机复合材料，在低电压下由于水合阳离子的迁移会产生较大的变形。IPMC具有质量轻、驱动电压低、位移大、无噪音、柔性、驱动能量密度较高等优点，其形变能力是电学陶瓷的100倍以上，在质量、响应和弹性上亦大大超过形状记忆合金，在微器件驱动(如体内检测机器人、光机电系统、微型机器人等)方面有着巨大的应用潜力，成为近年来国内外研究的热点。但是水分子的蒸发和电解（电压高于1.23V）大大限制了IPMC的实际应用范围。由于离子液体具有低蒸气压力、较宽的电化学窗口、高的电导率和低粘度，许多研究人员采用离子液体作为IPMC的工作介质，以获得具有稳定性能的IPMC。但是离子液体的直径约为1.5nm（ChmiolaJ,YushinG,GogotsiY,PortetC,SimonPandTabernaPL2006Anomalousincreaseincarboncapacitanceatporesizeslessthan1nanometerScience3131760–3;SimonPandGogotsiY2008MaterialsforelectrochemicalcapacitorsNat.Mater.7845–54.），3倍于水分子的直径（0.4nm），而IPMC基体Nafion膜中适合水分子的迁移孔道为1~2nm，因此该尺寸的孔道大大阻碍了离子液体的迁移。有必要设计制备适合离子液体顺畅迁移的孔道，以获得具有稳定输出性能、高输出力的IPMC。
技术实现思路
为了克服上述纯Nafion膜中尺寸孔道阻碍离子液体迁移的问题，本专利技术提供一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料及其制备方法，其具体技术方案如下：一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料，该材料内包含连续可控的孔道结构，采用泡沫金属嵌入Nafion基体膜作为骨架浇铸成型而后去除的方法获得，孔隙率75-98%，孔径的尺寸为10-100μm，外覆5-15μm厚的贵金属电极。进一步，本专利技术所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料中孔径为20μm，外覆10μm厚的贵金属电极。进一步，本专利技术所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料的厚度为0.1-0.5mm，其采用粘度较小的咪唑类离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐EMImSCN等离子液体作为工作介质。进一步，本专利技术所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料中，外覆贵金属电极是指铂电极、钯电极或金电极。一种如本专利技术所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料的制备方法，具体步骤如下：1）泡沫金属嵌入Nafion膜将体积比为4:1的Nafion溶液和二甲基甲酰胺（DMF）混合后形成的混合溶液倒入硅橡胶模具（长×宽×高，40mm×25mm×30mm，采用聚二甲基硅氧烷A，B组分10：1固化而成）中搅拌均匀，将泡沫金属（长×宽，40mm×25mm，高度小于制备的Nafion膜厚度）放入硅橡胶模具中；将混合溶液于70℃加热48h蒸发形成薄膜，再升温至150℃退火8min，自然冷却至室温，获得嵌入泡沫金属的Nafion膜；加入DMF的目的是减慢溶剂的挥发，从而阻止Nafion在凝固过程中产生裂纹；2）去除泡沫金属采用盐酸将嵌入泡沫金属Nafion基底膜中泡沫金属去除，将嵌入泡沫金属的Nafion膜置于20wt%的盐酸中，于65℃反应4-5h；3）多孔道Nafion膜去除泡沫金属后的Nafion膜上表面存在孔，使得Nafion膜表面不平整，不利于化学镀；因此以浓缩后的Nafion溶液（85-95wt%）均匀涂覆于去除泡沫金属后的Nafion膜上表面，涂覆量为3ml，厚度150-250μm，再用玻璃片压平夹紧，压力为2g/mm2，在70℃下加热2h固化；4）多孔道IPMC制备采用化学镀的方法在Nafion膜表面沉积贵金属铂（具体方法参见参考文献(Q.S.He,L.L.Song,M.Yu,Z.D.Dai.Fabrication,characteristicsandelectricalmodelofanioncpolymermetal-carbonnanotubecomposite.SmartMater.Struct.24,075001(2015).），主镀铂氨复合物的浓度为3.5mg/ml,次镀铂氨复合物的浓度为0.875mg/ml，即获得IPMC，自然晾干；5）离子液体的吸附配制[EMIm]SCN质量分数为65%的甲醇混合液，充分振荡后即得到[EMIm]SCN混合液，将自然晾干后的IPMC浸没于上述溶液中，室温下浸泡，直至IPMC不再吸收[EMIm]SCN离子液体后取出，置于空气中挥发去除IPMC内部的甲醇，即获得所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料。进一步，如本专利技术所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料的制备方法中，步骤1）所述泡沫金属为泡沫铜、泡沫镍或泡沫铝。与现有技术相比，本专利技术方法获得的基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料料具有稳定的输出性能，在正弦电压信号输入下，不同频率下摆动周期可达到1800-180000次，在空气中持续作动5h后，输出位移没有降低，且频率响应范围较宽，从0.1Hz-10Hz均有相应的位移响应。附图说明图1基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料的制备过程；图2泡沫铜嵌入的Nafion膜SEM图，其中，(a)表面，(b)断面；图3去除泡沫铜的多孔道Nafion膜SEM图片，其中，(a)表面，(b)断面；图4表面涂覆处理后多孔道Nafion膜SEM图片，其中，(a)表面；(b)断面；图5多孔道Nafion膜内部孔道SEM图片，其中，(a)微米级孔道，(b)纳米级孔道；图6多孔道IPMC铂金属电极SEM图片，(a)表面，(b)断面；图7传统浇铸Nafion、多孔道Nafion、吸附离子液体的多孔道Nafion的ATR-FTIR光谱图；图8基于传统浇铸Nafion膜的IPMC（30mm×5mm×0.3mm）吸附离子液体后的输出位移，输入正弦电压幅值3.0V，频率0.1Hz；图9基于泡沫铜的多孔IPMC（30mm×5mm×0.8mm）吸附离子液体后的输出位移。具体实施方式以下实施例中的浇铸硅橡胶模具的尺寸为40mm×25mm×30mm（长×宽×高）；泡沫金属铜的尺寸为40mm×25mm×0.3mm（长×宽×高），泡沫铜的金属丝直径为~20μm，孔隙率为95%（具体操作过程中，也可以在孔隙率75-98%范围内选择泡沫金属）；实施例1该基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料制备步骤如图1所示，具体如下：（1）泡沫金属铜嵌入Nafion膜的制备：将16mlNafion溶液和4ml二甲基甲酰胺（DMF）倒入浇铸模具中，加入DMF的目的是减慢溶剂的挥发，从而阻止Nafion在凝固过程中产生裂纹；然后将混合溶液用磁力搅拌机搅拌，使溶液混合均匀，超声振荡除去溶液中的气泡；接着，将泡沫金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料，其特征在于，所述多孔道IPMC电致动材料内包含连续可控的孔道结构，所述孔道以泡沫金属为骨架，孔隙率75‑98 %，孔径为10‑100 μm，外覆5‑15 μm厚的贵金属电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料，其特征在于，所述多孔道IPMC电致动材料内包含连续可控的孔道结构，所述孔道以泡沫金属为骨架，孔隙率75-98%，孔径为10-100μm，外覆5-15μm厚的贵金属电极。2.根据权利要求1所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料，其特征在于，所述孔径为20μm，外覆10μm厚的贵金属电极。3.根据权利要求1所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料，其特征在于，所述多孔道IPMC电致动材料的厚度为0.1-0.5mm。4.根据权利要求3所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料，其特征在于，所述贵金属电极是指铂电极、钯电极或金电极。5.如权利要求1-4之一所述基于泡沫金属的多孔道IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1）泡沫金属嵌入Nafion膜：将体积比为4:1的Nafion溶液和二甲基甲酰胺混合后形成的混合溶液倒入模具中搅拌均匀，将泡沫金属放入模具中；然后70℃加热48h，混合溶液蒸发形成薄膜，再升温至150℃退火8min，自然冷却至室温，获得嵌入泡沫金属的Nafion膜；2）去除泡沫金属：将嵌入泡沫...

【专利技术属性】
技术研发人员：何青松，于敏，刘志刚，姬科举，戴振东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32