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高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法技术

技术编号:24882657 阅读:19 留言:0更新日期:2020-07-14 18:09
本发明专利技术公开了高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,本发明专利技术以商用Nafion离子交换膜为基体,采用醇辅助化学镀的方法,选用两种不同的金属,在Nafion薄膜表面制备了均匀、致密的钯、铂电极,与传统的电镀相比,本发明专利技术极大地降低了制备金属电极的时间成本与经济成本,与传统Nafion人工肌肉的铂电极相比,本发明专利技术所提供的钯、铂电极具有更好的性能,大大加快了电驱动人工肌肉的响应速度,本发明专利技术在2V~8V、0.1Hz~30Hz的电压驱动下,就可以产生较大的形变和位移,且响应十分迅速,可以同时实现大形变和快速响应,这种高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器在柔性机器人、人造肌肉、传感器等领域有着广阔的应用前景和使用价值。

【技术实现步骤摘要】
高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法
本专利技术涉及新型智能材料
,特别涉及高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法。
技术介绍
电活性聚合物(EAP)是一种具备驱动性能的新型智能高分子材料,在外加电场的作用下,电活性聚合物可以进行弯曲、伸长、收缩、扭转等动作,由于其致动性能与生物肌肉非常相似,并且生物相容性较好,也被称为“人造肌肉”。按照工作原理,电活性聚合物可以分为电子型和离子型两大类,其中,电子型EAP通过施加上千伏的高电压来生成驱动力,而离子型EAP的驱动力则源于低压电场下聚合物内部离子的扩散和迁移,相比于前者,后者在能耗与安全性上有着很大的优势。离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是离子型电活性聚合物的一种,它在较低的驱动电压条件下就能够产生较大的位移和形变,还具有驱动能量密度高、柔性好、质量轻、无噪声、可操作性强等优点,可以很好地满足人造肌肉的需求,全氟磺酸(Nafion)离子交换膜是应用的最广泛的离子型电活性聚合物基体之一,在外加电场作用下,膜内的水合阳离子向阴极迁移,由于阴极发生溶胀而阳极发生缩水,薄膜就会向阳极的方向发生弯曲。目前,以Nafion薄膜为基础的人造肌肉发展并不完善,如大形变和快速响应很难同时实现,这很大程度限制了Nafion人造肌肉的发展及应用,为了提升Nafion人造肌肉的性能,本专利技术选用了钯和铂两种不同的金属,分两次进行醇辅助化学镀来形成复合电极,从而制备出可快响应、大变形的、高性能电驱动的全氟磺酸IPMC柔性驱动器。
技术实现思路
>本专利技术目的在于解决传统NafionIPMC柔性驱动器很难同时实现大形变和快速响应的不足,提供高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,本专利技术选取稳定性较高的金属钯和铂作为电极,制备出一种高性能电驱动的全氟磺酸IPMC柔性驱动器。高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,包括以下步骤:步骤一、以Nafion薄膜为基体材料,将其裁剪成边长为30mm~50mm的正方形,用1000目砂纸对Nafion膜上下表面均进行打磨,使表面粗化,将Nafion薄膜在去离子水中进行超声清洗10min~15min,将Nafion薄膜置于过氧化氢水溶液中浸泡4h~6h,取出,再将Nafion薄膜放在去离子水中煮沸0.5h~1.5h,将薄膜取出后置于硫酸溶液中浸泡4h~6h,然后,再次将Nafion膜放在去离子水中煮沸0.5h~1.5h;步骤二、通过醇辅助的方法,在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀,从而制备高质量的,致密且均匀的金属电极;步骤三、使用真空干燥箱以80℃~85℃的温度对Nafion薄膜进行干燥,除去水分子,然后将Nafion薄膜置于去离子水中使其充分吸水溶胀,最后,将Nafion薄膜置于饱和的氯化锂水溶液中浸泡40h~48h,使溶液中的正一价锂离子被充分地置换进入膜内。所述通过醇辅助的方法,在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀,从而制备高质量的,致密且均匀的金属电极包括以下步骤:1)将预处理过后的Nafion薄膜置于质量分数为0.4%~0.7%的四氨合氯化钯水溶液中浸泡1h~2h,使钯氨离子充分渗透进入Nafion膜内;2)将吸附离子后的Nafion薄膜转移到体积比为1:3的异丙醇/水混合溶液中,而后将异丙醇/水混合溶液加热升温并最终维持在40℃~45℃,滴加5mL~7mL质量分数为4%~7%的硼氢化钠水溶液进行还原反应,共重复滴加10~15次,每次间隔20min~30min,且此过程中溶液需剧烈搅拌,硼氢化钠可以使Nafion膜上的钯氨离子被还原成为钯纳米颗粒并沉积在膜表面,这种多次少量的还原方法可以在Nafion薄膜表面得到更致密、均匀的金属电极;3)将经过一次化学镀的Nafion薄膜取出,置于质量分数为0.4%~0.7%的四氨合氯化铂水溶液中浸泡22h~24h,使Nafion薄膜表面吸附铂氨离子;4)重复步骤2),使铂氨离子被还原成铂纳米颗粒,最后,在Nafion薄膜的表面得到了均匀且质密的钯、铂双层电极;所述Nafion薄膜的厚度为120μm~200μm;所述过氧化氢水溶液质量分数为4%~7%;所述硫酸溶液的质量分数为4%~7%。本专利技术的工作原理和过程:本专利技术所制备的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器,是采用醇辅助化学镀的方法,在Nafion离子交换膜基体表面先后制备一层钯电极和一层铂电极,最后进行充分的离子交换,使阳离子被置换进入膜内而得到的,本专利技术够在较低的电压下快速响应并产生较大的弯曲形变,离子交换过程使Nafion薄膜内充满了大量的正一价的锂离子,在Nafion薄膜的上下表面施加2V~8V的电压后,Nafion薄膜的阳离子Li+会向阴极扩散,与此同时Li+会带动膜内的水分子一起向阴极侧迁移,致使Nafion薄膜的阴极由于水变多而膨胀,而阳极则失水发生收缩,使整个Nafion薄膜向阳极侧弯曲,从而产生了变形的驱动力。本专利技术的有益效果:本专利技术提供的电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器材料,以商用Nafion离子交换膜为基体,采用醇辅助化学镀的方法,选用两种不同的金属,在Nafion薄膜表面制备了均匀、致密的钯、铂电极,与传统的电镀相比,本专利技术极大地降低了制备金属电极的时间成本与经济成本,与传统Nafion人工肌肉的铂电极相比,本专利技术所提供的钯、铂电极具有更好的性能,大大加快了电驱动人工肌肉的响应速度,本专利技术在2V~8V、0.1Hz~30Hz的电压驱动下,就可以产生较大的形变和位移,且响应十分迅速,可以同时实现大形变和快速响应,这种高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器在柔性机器人、人造肌肉、传感器等领域有着广阔的应用前景和使用价值。附图说明图1是本专利技术工作原理图;图2是本专利技术制备流程图;图3是本专利技术在频率为0.1Hz的电压驱动下,末端位移随着时间变化的曲线;图4是本专利技术最大位移随着驱动电压不同而变化的曲线。具体实施方式请参阅图1至图4所示,高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,包括以下步骤:步骤一、采用杜邦公司生产的Nafion117薄膜厚度为180μm,将其裁剪成边长为30mm的正方形小片,使用1000目砂纸对Nafion薄膜上下表面均进行打磨使薄膜表面粗化,随后将膜在去离子水中进行超声清洗10min,将Nafion薄膜置于质量分数为5%的过氧化氢水溶液中浸泡4h,取出,然后将Nafion薄膜在去离子水中煮沸,持续1h,将薄膜取出,置于质量分数为5%的硫酸溶液中浸泡4h,然后再次在去离子水中煮沸,持续1h,Nafion薄膜在经过上述预处理后,表面粗糙度增加,经吸水溶胀,变得柔软且透明;步骤二、通过醇辅助的方法,在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀,从而制备高质量的,致密且均匀的金属电极;1)将预处理过后的Nafion薄膜置于质量分数为0.5%的四氨合氯化钯水溶液中浸泡2h,使钯氨离子充分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:/n步骤一、以Nafion薄膜为基体材料,将其裁剪成边长为30mm~50mm的正方形,用1000目砂纸对Nafion膜上下表面均进行打磨,使表面粗化,将Nafion薄膜在去离子水中进行超声清洗10min~15min,将Nafion薄膜置于过氧化氢水溶液中浸泡4h~6h,取出,再将Nafion薄膜放在去离子水中煮沸0.5h~1.5h,将薄膜取出后置于硫酸溶液中浸泡4h~6h,然后,再次将Nafion膜放在去离子水中煮沸0.5h~1.5h;/n步骤二、通过醇辅助的方法,在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀,从而制备高质量的,致密且均匀的金属电极;/n步骤三、使用真空干燥箱以80℃~85℃的温度对Nafion薄膜进行干燥,除去水分子,然后将Nafion薄膜置于去离子水中使其充分吸水溶胀,最后,将Nafion薄膜置于饱和的氯化锂水溶液中浸泡40h~48h,使溶液中的正一价锂离子被充分地置换进入膜内。/n

【技术特征摘要】
1.高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、以Nafion薄膜为基体材料,将其裁剪成边长为30mm~50mm的正方形,用1000目砂纸对Nafion膜上下表面均进行打磨,使表面粗化,将Nafion薄膜在去离子水中进行超声清洗10min~15min,将Nafion薄膜置于过氧化氢水溶液中浸泡4h~6h,取出,再将Nafion薄膜放在去离子水中煮沸0.5h~1.5h,将薄膜取出后置于硫酸溶液中浸泡4h~6h,然后,再次将Nafion膜放在去离子水中煮沸0.5h~1.5h;
步骤二、通过醇辅助的方法,在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀,从而制备高质量的,致密且均匀的金属电极;
步骤三、使用真空干燥箱以80℃~85℃的温度对Nafion薄膜进行干燥,除去水分子,然后将Nafion薄膜置于去离子水中使其充分吸水溶胀,最后,将Nafion薄膜置于饱和的氯化锂水溶液中浸泡40h~48h,使溶液中的正一价锂离子被充分地置换进入膜内。


2.根据权利要求1所述的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法,其特征在于:所述通过醇辅助的方法,在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀,从而制备高质量的,致密且均匀的金属电极包括以下步骤:
1)将预处理过后的Nafion薄膜置于质量分数为0.4%~0.7%的四氨合氯化钯水溶液中浸泡1h~2h...

【专利技术属性】
技术研发人员:梁云虹张浩马愫倩林兆华任雷韩志武任露泉
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:吉林;22

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