一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法技术

一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，将预处理后的Nafion膜放入硝酸银溶液中浸渍12h，清洗，得到全氟磺酸膜；将全氟磺酸膜放入镀铜液中在35～40℃下，反应38～40min，得到铜型离子聚合物—金属复合材料；将铜型离子聚合物—金属复合材料置于氯化锂溶液中浸泡后，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。这种人工肌肉在外加点乘下可以产生弯曲和形变，相比于将已有的银、铂、金和钯等贵金属作为电极，使用铜作为电极能很大程度上降低其制作成本并且提高力输出，以便于使该材料的应用更加广泛。

Preparation of a Copper Electrode Ionic Polymer-Metal Composite Artificial Muscle

A method for preparing artificial muscle of copper-electrode ionic polymer-metal composite material is introduced. The pretreated Afion film is dipped in silver nitrate solution for 12 hours and cleaned to obtain perfluorinated sulfonic acid film. The perfluorinated sulfonic acid film is placed in copper plating solution at 35-40 C and reacted for 38-40 minutes to obtain copper-type ionic polymer-metal composite material; and the copper-type ionic polymer-metal composite material is prepared. \u7f6e\u4e8e\u6c2f\u5316\u9502\u6eb6\u6db2\u4e2d\u6d78\u6ce1\u540e\uff0c\u5f97\u5230\u94dc\u7535\u6781\u79bb\u5b50\u805a\u5408\u7269\u2014\u91d1\u5c5e\u590d\u5408\u6750\u6599\u4eba\u5de5\u808c\u8089\u3002 Compared with the existing precious metals such as silver, platinum, gold and palladium as electrodes, the use of copper as electrodes can greatly reduce the cost of fabrication and increase the output of force, so as to make the material more widely used.

【技术实现步骤摘要】
一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法
本专利技术涉及新型人工肌肉驱动器
，具体涉及一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法。
技术介绍
随着智能化的迅速崛起，人们对软体机器人领域的探索愈加火热。驱动软体机器人最重要的就是探索新型的驱动材料，该种材料即为人工肌肉材料。常见的人工肌肉分为磁驱动、气动和电驱动等。由于气动人工肌肉在工作时负载庞大，因此难于微型化；磁驱动材料受制于磁场的范围，相比之下，电驱动材环保、响应性好、又易于微型化。在这些被驱动的材料中离子型聚合物在较低电压下可以产生较大的位移，因而备受青睐。离子聚合物薄膜与表面的金属电极(一般都采用铂、金、银等)复合后称为离子聚合物—金属复合材料。其基膜内部分子具有固定的阴离子带电网链，可移动的阳离子能够通过网链迁移或扩散。当在材料两面施加电场后，片内部可移动的水合阳离子在静电力的驱动下会发生从阳极到阴极的迁移。与此同时，与阳离子结合在一起的水分子会向阴极聚集，使得膜片靠阴极的一面发生膨胀，靠阳极的一面收缩，从而在宏观上产生向阳极方向的弯曲变形。由于离子聚合物—金属复合材料驱动电压低、相应性好、质轻和位移大等特点，其在微型驱动器、航天、医疗及人工肌肉领域有着广阔的前景。但是由于传统的离子聚合物—金属复合材料都是以铂、金、钯之类的贵金属作为电极，其价格十分昂贵，因此在很大程度上限制了该材料的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的问题，目的在于提供一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，该方法制备的材料成本更低，力输出更大，更有利于扩宽这种材料的应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：(1)离子吸附将预处理后的Nafion膜放入硝酸银溶液中浸渍8～12h，清洗，得到全氟磺酸膜；(2)化学镀铜将全氟磺酸膜放入镀铜液中在35～40℃下，反应38～40min，得到铜型离子聚合物—金属复合材料；(3)离子交换将铜型离子聚合物—金属复合材料置于氯化锂溶液中浸泡后，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。本专利技术进一步的改进在在于，步骤(1)中，Nafion膜预处理的具体过程如下：1)粗化：将Nafion膜裁成片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明；2)清洗：超声波清洗；3)稀盐酸处理：将Nafion膜在1.5mol/L的盐酸溶液中煮20～25min，然后在去离子水中漂洗；4)去离子水处理：将Nafion膜在去离子水中煮15～25min，然后采用去离子水清洗。本专利技术进一步的改进在在于，步骤(2)中，镀铜液的配制过程如下：将乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾以及柠檬酸三钠二水合物加入到水中，混合均匀；然后加入无机碱调节pH值为11，再加入五水硫酸铜，混合均匀后加入甲醛溶液搅拌均匀后，加入三水合亚铁氰化钾和的2,2-联吡啶，搅拌均匀，得到镀铜液；其中，乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾、二水合柠檬酸三钠、五水硫酸铜、三水合亚铁氰化钾和2,2-联吡啶的质量比为(45～50)：35.05：(25～30)：(40～42)：0.025：(0.03～0.06)。本专利技术进一步的改进在在于，乙二胺四乙酸二钠与水的比为(45～50)g：1500mL。本专利技术进一步的改进在在于，无机碱为氢氧化钠。本专利技术进一步的改进在在于，乙二胺四乙酸二钠与甲醛溶液的比为(45～50)g：37.5mL，其中，甲醛溶液的质量浓度为37％。本专利技术进一步的改进在在于，步骤(3)中，氯化锂溶液的浓度为2mol/L。本专利技术进一步的改进在在于，骤(3)中，浸泡的时间为3～4h。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：(1)比传统的离子聚合物—金属复合材料成本更低，因为本专利技术以铜作为该材料的电极，而传统的电极材料一般为铂、金、钯等贵金属，因此本专利技术能更好地推动其广泛应用；(2)原料更易得：铜还原的技术要比铂、金等更容易，且铜原料市场分布广泛；(3)力输出更大：经过将本专利技术与传统铂电极离子聚合物—金属复合材料力输出进行对比，发现用铜作为电极提高了其力输出。(4)更大程度节约了制备时间：传统的铂电极离子聚合物—金属复合材料制备时间都在27h以上，而本专利技术的铜电极离子聚合物—金属复合材料制备时间约为16h。(5)电压耐受范围广：传统铂电极的离子聚合物—金属复合材料驱动电压一般为3～5V，超过6V就会失效，而铜电极离子聚合物—金属复合材料驱动电压为3～10V，超过10V才会失效，因此本专利技术有限避免了该材料由于电压过大导致的失效问题。附图说明图1为离子聚合物—金属复合材料在电场下弯曲原理图；其中，(a)为通电前，(b)为通电后。图2为弯曲状态图，其中，(a)为施加电压前；(b)为施加电压后。图3为铂电极离子聚合物—金属复合材料和铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉耐受电压对比图，其中，(a)为铂电极离子聚合物—金属复合新材料；(b)为铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。图4为铂电极离子聚合物—金属复合材料和铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉力输出对比图，其中，(a)为铂电极离子聚合物—金属复合新材料；(b)为铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细描述。本专利技术的一种新型铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法主要包括：(1)Nafion基膜的前期处理1)粗化：将Nafion膜裁成1×5cm2大小的片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明即可(要注意打磨的纹理分布尽量细化和规整)；2)清洗：超声波清洗，除去表面杂质；3)稀盐酸处理：将Nafion膜在1.5mol/L的盐酸溶液中煮20～25min，去除Nafion膜中的添加剂和其他离子，然后在去离子水中漂洗；4)去离子水处理：将Nafion膜在去离子水中煮15～25min，去除酸，然后对其用去离子水清洗。(2)离子吸附配制3g/L的硝酸银溶液100mL，然后将处理好的Nafion膜放入到上述溶液中浸渍一整晚(即12h)，然后取出用去离子水洗去未被吸附的Ag+，得到全氟磺酸膜。(3)镀铜液的配制1)称取乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠)45～50g，酒石酸钾35.05g，柠檬酸三钠二水合物25～30g，加入到1500mL水中后在磁力搅拌器下搅拌溶解；2)将NaOH一点点加入，一边加一边测溶液pH值，当pH值为11时停止加入NaOH；3)称取将五水硫酸铜40～42g加入上述溶液中搅拌溶解(此时溶液呈深蓝色)；4)量取37wt％的甲醛37.5mL加入上述溶液中，搅拌15～20min；5)然后加入0.025g三水合亚铁氰化钾和0.03g～0.06g的2,2-联吡啶，磁力搅拌溶解，得到镀铜液。(4)化学镀铜将吸附了银离子的全氟磺酸膜放入镀铜液中进行化学镀铜将铜电极沉积到全氟磺酸膜表面，具体为在35～40℃下，反应38～40min后将其取出，得到铜型离子聚合物—金属复合材料。(5)离子交换将制备好的铜型离子聚合物—金属复合材料置于2mol/L的氯化锂溶液中浸泡3～4h，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。下面为具体实施例。实施例1(1)Nafion基膜的前期处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)离子吸附将预处理后的Nafion膜放入硝酸银溶液中浸渍8～12h，清洗，得到全氟磺酸膜；(2)化学镀铜将全氟磺酸膜放入镀铜液中在35～40℃下，反应38～40min，得到铜型离子聚合物—金属复合材料；(3)离子交换将铜型离子聚合物—金属复合材料置于氯化锂溶液中浸泡后，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

【技术特征摘要】
1.一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)离子吸附将预处理后的Nafion膜放入硝酸银溶液中浸渍8～12h，清洗，得到全氟磺酸膜；(2)化学镀铜将全氟磺酸膜放入镀铜液中在35～40℃下，反应38～40min，得到铜型离子聚合物—金属复合材料；(3)离子交换将铜型离子聚合物—金属复合材料置于氯化锂溶液中浸泡后，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。2.根据权利要求1所述的一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，Nafion膜预处理的具体过程如下：1)粗化：将Nafion膜裁成片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明；2)清洗：超声波清洗；3)稀盐酸处理：将Nafion膜在1.5mol/L的盐酸溶液中煮20～25min，然后在去离子水中漂洗；4)去离子水处理：将Nafion膜在去离子水中煮15～25min，然后采用去离子水清洗。3.根据权利要求1所述的一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，镀铜液的配制过程如下：将乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾以及柠檬酸三钠二水合物加入到水中，混合均匀；...

【专利技术属性】
技术研发人员：田爱芬，杨静，惠璇，王茜茜，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61