IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法技术

本发明专利技术公开了一种IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法，以铂型IPMC金属电极的修复为例进行具体说明。采用化学镀法制备金属型IPMC，以铜离子作为驱动离子与动态修复离子，利用水合铜离子在基膜内部的迁移为IPMC提供输出力，同时利用铜离子在交变电场下的持续还原反应对铂电极金属层进行自修复。工艺流程有：（1）传统金属电极型IPMC的制备；（2）动态修复离子液的配置；（3）动态修复离子的交换过程；（4）金属电极动态修复过程；（5）样品保存。本发明专利技术在不增加成本的前提下，明显提高IPMC电极的导电性与输出性能。实验证明，动态修复后的IPMC输出性能明显提高，该方法还适用于金型IPMC，钯型IPMC和银型IPMC的电极修复，具有很大的推广价值。

【技术实现步骤摘要】
IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法
本专利技术涉及IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法，属于智能驱动

技术介绍
IPMC是一种新型的离子型电活性聚合物，在电场刺激下能够产生一定的变形，与传统的电活性材料相比，IPMC具有驱动电压低、变形相对较大、质量轻，以及反应迅速等优点，因此越来越引起研究者的关注。IPMC主要由离子交换膜(Nafion、Flemion)和表面贵金属(铂、金、钯)电极层组成，研究表明表面贵金属层的导电性对IPMC驱动性能有很大的影响(ShahinpoorM,KimKJ.Theeffectofsurface-electroderesistanceontheperformanceofionicpolymer-metalcomposite(IPMC)artificialmuscles[J].SmartMaterials&Structures,2000,9(4):543.)。传统的IPMC表面电极为铂电极，但在使用的过程中，由于IPMC弯曲作用，表面金属电极会发生膨胀，从而引起表面裂纹的产生，导致IPMC表面电极的电阻升高，这严重影响IPMC的使用寿命和驱动效果。为了减小IPMC弯曲过程中裂纹，提高IPMC电极的持续导电性，许多研究者做出了探索研究，主要有将金属复合层作为IPMC电极，如铜-铂复合镀层的研究，显著提高电极的导电性(UchidaM,TayaM.Solidpolymerelectrolyteactuatorusingelectrodereaction[J].Polymer,2001,42(22):9281-9285.)、将延展性更好的贵金属金作为IPMC电极的，目的是减小裂纹的产生(OguroK,FujiwaraN,AsakaK,etal.Polymerelectrolyteactuatorwithgoldelectrodes[J].ProcSpie,1999,3669(3669):64-71.)以及将导电聚合物材料作为IPMC电极层，克服金属电极长期使用后失效的问题(LeeSW,KimJW,KimYH,etal.Actuationcharacteristicsofall-organicpolymeractuatorwithconductingpolymerelectrode[J].MacromolecularResearch,2013,21(6):699-703.)等，但是上述研究存在一定的缺陷，比如铜-铂复合电极中，施加电压信号后铜金属层易氧化脱落，重复使用性差；金电极的成本大，且制备工艺复杂；导电聚合物电极型的IPMC位移和输出力较小，不能满足实际应用要求。为了解决IPMC使用过程中电极层裂纹产生，电阻升高的问题，提出一种驱动过程中IPMC金属电极动态修复的方法，提高电极的导电性和输出性能，延长IPMC使用寿命。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术存在的问题，通过改变驱动离子，利用电解原理，提出一种IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法，克服IPMC金属电极驱动过程中电阻升高的问题，实现金属电极的长久使用。一种IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法，包括以下步骤：步骤1、传统金属电极型IPMC的制备：以全氟磺酸型离子交换膜为基底材料，经两次化学镀在基底膜两侧沉积金属层，制备出金属电极型的IPMC电极；步骤2、动态修复离子的配置：选用铜离子作为驱动离子与动态修复离子，并配置一定浓度的铜盐溶液，所述一定浓度的铜盐要求满足：在常温下稳定存在，且在水溶液环境中完全电离出铜离子，铜盐的浓度为其饱和浓度的0.5-0.9倍；步骤3、动态修复离子交换过程：步骤3-1、IPMC电极预处理：首先将步骤1所制备出的IPMC电极酸中清洗，去除电极表面与基膜内部的碱性离子，防止与铜离子反应生成沉淀；然后去离子水清洗；步骤3-2、离子交换：将IPMC电极浸泡在步骤2所配置好的铜盐溶液中，静置12h以上完成离子交换过程；步骤4、金属电极动态修复过程：在IPMC电极两侧施加一定的交变激励信号，试样向阳极弯曲，由于弯曲过程中电极一侧发生膨胀，导致电极表面形成裂纹，最终引起IPMC电极电阻的升高；利用电解原理，在交变激励信号的激励下，铜离子迁移到IPMC阴极附近并被还原成铜颗粒，新生成的铜颗粒吸附在电极裂纹处，增加电极的导电性；当激励信号反向时，铜离子在IPMC电极另外一侧完成电极修复过程，最终形成一个电极动态修复过程；步骤5、IPMC电极的保存：IPMC电极使用结束后，将其保存在步骤2所配置好的铜盐溶液中，使所述步骤4中IPMC电极附近的铜氧化成铜离子，并在液体环境中重新实现步骤3所述的动态修复离子交换过程。上述步骤2中①选用铜离子作为驱动离子与动态修复离子的原因：由于铜离子与四个水分子结合形成配合物，铜离子在基膜内可携带四个水分进行迁移，从而为IPMC提供输出力；并且，IPMC内部铜离子迁移到IPMC阴极附近并被还原成铜颗粒，生成的铜颗粒可以大大降低IPMC金属电极的导电性。②配置一定浓度的铜盐溶液，铜盐要求在常温下稳定存在，可以防止溶液中沉淀生成导致铜离子越来越少；在液体环境中完全电离出铜离子，浓度为饱和浓度的0.5-0.9倍，0.5倍以上可以保证液体环境中有足够多的铜离子，不超过0.9倍可以防止离子交换过程中铜盐在IPMC内部析出，在这里，取其饱和浓度的0.6倍进行。上述步骤2所述铜盐溶液包括CuSO4、Cu(NO3)2和CuCl2溶液，这三种溶液都为铜的强电解质溶液，在水溶液在完全电离出铜离子。上述步骤3中IPMC酸化的具体步骤是：在80℃，0.1％稀盐酸中煮0.5h，酸化目的是去除IPMC制备过程中杂质离子，防止沉淀的生成，然后去离子水清洗，去除多余的酸，并将IPMC试样切割成所需大小，使IPMC侧面的基膜裸露，加快离子交换过程；②将IPMC试样浸泡在配置好的铜盐溶液中，静置12h以上完成离子交换过程，可以保证铜离子充分交换到IPMC基膜内部，使得电极层与基底膜形成良好的结合。上述步骤4中IPMC电极表面裂纹的产生，会引起IPMC电极电阻的升高，降低驱动性能；利用电解原理，阳极发生反应：Cu(s)+4H2O→Cu(H2O)42++2e-，阴极发生反应：Cu(H2O)42++2e-→Cu(s)+4H2O，铜离子迁移到IPMC阴极附近并被还原成铜颗粒，新生成的铜颗粒吸附在电极裂纹处，常温下，金属导电性中，铜的导电性仅次于银，但价格低廉，当铜离子被还原为铜后，可大大提高IPMC电极导电性；当激励信号反向时，铜离子在IPMC电极另外一侧完成电极修复过程。铜离子在交变信号作用下，分别在电极两个还原，随着激励信号的反向，铜重新被氧化为铜离子，参与到基膜内部离子迁移中，形成一个动态修复过程。所述的一种IPMC驱动过程中金属电极动态修复方法易于推广：一方面，该方法可修复惰性金属电极型IPMC，惰性金属电极是指相较于铜为惰性，包括铂电极的修复，金电极的修复，钯金属电极的修复，银金属电极的修复以及它们的复合电极的修复；另一方面，该方法操作简单，节约成本且效果明显。本专利技术将价格低廉的铜离子溶液应用到IPMC金属电极修复中，不但提高了IPMC输出性能，而且克服了IPMC金属电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、传统金属电极型IPMC的制备：以全氟磺酸型离子交换膜为基底材料，经两次化学镀在基底膜两侧沉积金属层，制备出金属电极型的IPMC电极；步骤2、动态修复离子的配置：采用铜离子作为驱动离子与动态修复离子，并配置一定浓度的铜盐溶液，所述一定浓度的铜盐满足以下条件：在常温下稳定存在，且在水溶液环境中完全电离出铜离子，铜盐的浓度为其饱和浓度的0.5‑0.9倍；步骤3、动态修复离子交换过程：步骤3‑1、IPMC电极预处理：首先将步骤1所制备出的IPMC电极在酸中清洗，去除电极表面与基膜内部的碱性离子，防止与铜离子反应生成沉淀；然后去离子水清洗；步骤3‑2、离子交换：将IPMC电极浸泡在步骤2所配置好的铜盐溶液中，静置12 h以上完成离子交换过程；步骤4、金属电极动态修复过程：在IPMC电极两侧施加一定的交变激励信号， 试样向阳极弯曲，由于弯曲过程中电极一侧发生膨胀，导致电极表面形成裂纹，最终引起IPMC电极电阻的升高；利用电解原理，在交变激励信号的激励下，铜离子迁移到IPMC阴极附近并被还原成铜颗粒，新生成的铜颗粒吸附在电极裂纹处，增加电极的导电性；当激励信号反向时，铜离子在IPMC电极另外一侧完成电极修复过程，最终形成一个电极动态修复过程；步骤5、IPMC电极的保存：IPMC电极使用结束后，将其保存在步骤2所配置好的铜盐溶液中，使所述步骤4中IPMC电极附近的铜氧化成铜离子，并在液体环境中重新实现步骤3所述的动态修复离子交换过程。...

【技术特征摘要】
1.一种IPMC驱动过程中金属电极动态修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、传统金属电极型IPMC的制备：以全氟磺酸型离子交换膜为基底材料，经两次化学镀在基底膜两侧沉积金属层，制备出金属电极型的IPMC电极；步骤2、动态修复离子的配置：采用铜离子作为驱动离子与动态修复离子，并配置一定浓度的铜盐溶液，所述一定浓度的铜盐满足以下条件：在常温下稳定存在，且在水溶液环境中完全电离出铜离子，铜盐的浓度为其饱和浓度的0.5-0.9倍；步骤3、动态修复离子交换过程：步骤3-1、IPMC电极预处理：首先将步骤1所制备出的IPMC电极在酸中清洗，去除电极表面与基膜内部的碱性离子，防止与铜离子反应生成沉淀；然后去离子水清洗；步骤3-2、离子交换：将IPMC电极浸泡在步骤2所配置好的铜盐溶液中，静置12h以上完成离子交换过程；步骤4、金属电极动态修复过程：在IPMC电极两侧施加一定的交变激励信号，试样向阳极弯曲，由于弯曲过程中电极一侧发生膨胀，导致电极表面形成裂纹，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于敏，王茂林，何青松，
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