CN102079818A - 一种电活性聚合物材料及其制备方法 - Google Patents

一种电活性聚合物材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102079818A
CN102079818A CN 201010577152 CN201010577152A CN102079818A CN 102079818 A CN102079818 A CN 102079818A CN 201010577152 CN201010577152 CN 201010577152 CN 201010577152 A CN201010577152 A CN 201010577152A CN 102079818 A CN102079818 A CN 102079818A
Authority
CN
China
Prior art keywords
room temperature
film
electroactive polymer
electroactive
chitosan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 201010577152
Other languages
English (en)
Other versions
CN102079818B (zh
Inventor
蔡志江
钱晓明
杨光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin Polytechnic University
Original Assignee
Tianjin Polytechnic University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Polytechnic University filed Critical Tianjin Polytechnic University
Priority to CN201010577152XA priority Critical patent/CN102079818B/zh
Publication of CN102079818A publication Critical patent/CN102079818A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102079818B publication Critical patent/CN102079818B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

一种电活性聚合物材料及其制备方法。本发明涉及一种以纤维素和壳聚糖为基材的新型电活性聚合物材料及其制备方法，该电活性材料既兼具了电子型与离子型两种电活性材料的优点，同时又具有原料来源广泛、成本低、加工工艺简单、环境可降解等优点。本发明采用下述技术方案实现：将纤维素和壳聚糖以一定重量比混合后加入溶剂三氟乙酸，室温下溶解；将溶解完全的混合溶液浇注成膜，室温下干燥；将膜在戊二醛水溶液中交联；取出后在氢氧化钠溶液和氯化氢溶液中处理；最后在真空条件下对膜表面进行镀电极。

Description

一种电活性聚合物材料及其制备方法
技术领域  本发明涉及一种新型电活性聚合物材料及其制备方法，更具体地说，是涉及一种以纤维素和壳聚糖为基材的新型电活性聚合物材料及其制备方法。
背景技术  电活性材料是一类能够在外电场诱导下，产生形变，从而产生力学响应的材料。电活性材料的响应形式可以有弯曲、收缩或膨胀等，从而可以实现驱动、紧固、传感等功能。由于这类材料直接受外界信号刺激产生运动，用这类材料作为驱动装置可以构造成新型的产品、机电系统或机器人(动物)，其中不需要常规机械驱动装置，诸如马达、机轴、齿轮等，大大减轻了系统的重量，改变了传统的机器的概念，为未来异型机器或系统提供了广阔的创新空间，从而引起了众多研究人员和工程师、技术人员的关注。电活性材料开发应用可追溯到1880年，伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变。之后在1925年压电聚合物被发现并被用作传感器。1949年Katchalsky发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀，这是聚合物材料的化学响应性被首次发现。1969年，研究者发现聚偏氟乙烯材料具有较大的压电效应，人们开始把目光投向其聚合物体系，之后大量具有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。随着电活性材料研究的不断深入和发展，其巨大的应用前景已呈现在人们面前。电活性材料可作为人工肢体和人造器官、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术的发展。目前国际上研究目标之一是制造“昆虫”机器人，可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器，可用于制造无噪声的微型舰船。基于此构想，电活性聚合物的第一个商业用途早已实现，但仅作为玩具。2002年12月，日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼，可以在水中自由地游弋，这是电活性聚合物发展史上的一个里程碑。目前电活性聚合物材料已经被开发的科学应用领域主要有：飞行器、可控制织物、机器人、医疗等，然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制，电活性聚合物材料可以分为电子型和离子型两大类。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系。这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物等；离子型聚合物即电流活性材料，包括离子聚合物、聚合物电解质凝胶、导电聚合物等，因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的。由于电子比离子移动的更快些，电子型聚合物的反应时间较短，仅几微秒，其能量密度也较大，并可长时间在空气中运行，而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。但是，电子型聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150MV/m)。电子型与离子型两种电活聚合物性材料各有优缺点。电子型电活聚合物性材料的优点在于其可以在室内环境下长时间的驱动，响应速度快，响应时间为微秒级；可以在电场下长时间的保持应变状态，能够产生相对较大的驱动力；缺点是需要很高的驱动电场，一般得150MV/m，电压至少在1KV以上，应力和应变相互妥协，应变大则所产生应力小，应力大则应变小。由于玻璃化转变温度的影响，电子型电活聚合物性材料不适合在低温下工作。铁电聚合物材料由于居里温度的限制，不适合高温环境工作。离子型电活聚合物性材料的优点是在1～7V的低电压下能够产生大的弯曲应变，通过施加电压方向的调整可实现可控双向驱动；缺点是除了导电聚合物和碳纳米管复合材料，其它离子型在电场下不能维持应变状态，而且响应速度较慢，弯曲应变产生的应力相对较小，除导电聚合物，其它类型很难得到均匀的材料，尤其是离子聚合物-金属复合材料。如何能够综合电子型与离子型两种电活聚合物性材料的优点，这是电活聚合物性材料迈向商业应用必须解决的关键问题之一。
发明内容  本发明的目的是以纤维素和壳聚糖为基材，将其应用于电活性材料中，提出了一种新型的纤维素和壳聚糖为主要组成的新型电活性聚合物材料及其制备方法。该电活性材料既兼具了电子型与离子型两种电活聚合物性材料的优点，同时又具有原料来源广泛、成本低、加工工艺简单、环境可降解等优点。
本发明采用下述技术方案实现：
(1)将纤维素和壳聚糖以一定重量比混合后加入溶剂三氟乙酸，在室温下溶解；(2)将溶解完全的混合溶液浇注成膜，在室温下彻底干燥；(3)将干燥后的膜放入到含一定浓度的戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍一定时间；(4)取出后将膜放入到含一定浓度的氢氧化钠溶液，室温下浸泡一定时间；(5)取出后用去离子水反复冲洗；(6)再将膜放入到含一定浓度的氯化氢溶液，室温下浸泡一定时间；(7)取出后用去离子水冲洗净表面，室温下彻底干燥；(8)在真空条件下对膜表面进行镀电极。
本发明的有益效果是
1.以纤维素和壳聚糖为基材，制备出了一种新型的电活性聚合物材料，该电活性材料兼具了电子型与离子型两种电活性聚合物材料的优点。
2.纤维素和壳聚糖是地球上分布最广、年产量最大的天然生物源高分子材料，每年都有上百亿吨生产出来，是真正的可持续的、不可消耗的天然原料。
3.纤维素和壳聚糖是天然材料，对环境不会造成任何影响，是一种无公害、且具有环保优点的新型电活性材料。
附图说明  图1电活性聚合物材料的结构示意图(1，基材；2，电极)；图2电活性聚合物材料的电致响应形变曲线(电压：3V；■：4V；●：5V；▲：6V；◆：7V)(测试条件为：环境温度：25℃；环境湿度：30％相对湿度)；图3电活性聚合物材料的工作寿命曲线(测试条件为：25℃；环境湿度：30％相对湿度；电压：5V，频率：4Hz)
具体实施方式  下面结合实施例对本发明作具体说明。实施例：
例1：首先将纸浆纤维素切成小段，和壳聚糖一起放在真空干燥箱内干燥24小时，保证无残余水分；称取纸浆纤维素3.0g和壳聚糖2.0g，混合后放入溶剂三氟乙酸100ml，密封后室温静置7天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素和壳聚糖溶液，在四氟乙烯模型上浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.05％(质量比)戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍3小时；取出后将膜放入含有0.1％(质量比)的氢氧化钠水溶液中，室温下浸泡12小时；然后用3000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0.1％(质量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡6小时；膜取出后用100ml的去离子水冲洗净表面，在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4×104Pa)对膜表面镀金电极，电极厚度小于100nm。
例2：首先将纸浆纤维素切成小段，在真空干燥箱内干燥24小时，保证无残余水分；称取纸浆纤维素5.0g，后放入溶剂二甲基甲酰胺100ml和氯化锂9.0g，密封后室温下搅拌2天，然后升温至150℃下搅拌3天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素溶液，在四氟乙烯模型上浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.1％(质量比)戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍2小时；取出后将膜放入含有0.05％(质量比)的氢氧化钠水溶液中，室温下浸泡12小时；然后用5000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0.05％(质量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡10小时；膜取出后用200ml的去离子水冲洗净表面，在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4×104Pa)对膜表面镀铜电极，电极厚度小于100nm。
例3：首先将纸浆纤维素切成小段，和壳聚糖一起放在真空干燥箱内干燥24小时，保证无残余水分；称取纸浆纤维素4.0g和壳聚糖1.0g，混合后放入溶剂三氟乙酸100ml，密封后室温静置7天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素和壳聚糖溶液，在四氟乙烯模型上浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.1％(质量比)戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍2小时；取出后将膜放入含有0.1％(质量比)的氢氧化钠水溶液中，室温下浸泡8小时；然后用4000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0.15％(质量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡6小时；膜取出后用200ml的去离子水冲洗净表面，在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4×104Pa)对膜表面镀金电极，电极厚度小于100nm。
例4：首先将纸浆纤维素切成小段，和壳聚糖一起放在真空干燥箱内干燥24小时，保证无残余水分；称取纸浆纤维素1.0g和壳聚糖4.0g，混合后放入溶剂三氟乙酸100ml，密封后室温静置7天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素和壳聚糖溶液，在四氟乙烯模型上浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.2％(质量比)戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍2小时；取出后将膜放入含有0.5％(质量比)的氢氧化钠水溶液中，室温下浸泡10小时；然后用5000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0.2％(质量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡10小时；膜取出后用200ml的去离子水冲洗净表面，在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4×104Pa)对膜表面镀铂电极，电极厚度小于100nm。

Claims (2)

1.一种新型电活性聚合物材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将纤维素和壳聚糖以一定重量比混合后加入溶剂三氟乙酸，在室温下溶解；(2)将溶解完全的混合溶液浇注成膜，在室温下彻底干燥；(3)将干燥后的膜放入到含一定浓度的戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍一定时间；(4)取出后将膜放入到含一定浓度的氢氧化钠溶液，室温下浸泡一定时间；(5)取出后用去离子水反复冲洗；(6)再将膜放入到含一定浓度的氯化氢溶液，室温下浸泡一定时间；(7)取出后用去离子水冲洗净表面，室温下彻底干燥；(8)在真空条件下对膜表面进行镀电极。
2.根据权利要求1所述的制备的新型电活性聚合物材料，其特征是：所述的基材是纤维素和壳聚糖，该电活性材料兼具了电子型与离子型两种电活性材料的优点。
CN201010577152XA 2010-12-07 2010-12-07 一种电活性聚合物材料及其制备方法 Expired - Fee Related CN102079818B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010577152XA CN102079818B (zh) 2010-12-07 2010-12-07 一种电活性聚合物材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010577152XA CN102079818B (zh) 2010-12-07 2010-12-07 一种电活性聚合物材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102079818A true CN102079818A (zh) 2011-06-01
CN102079818B CN102079818B (zh) 2012-11-21

Family

ID=44086034

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010577152XA Expired - Fee Related CN102079818B (zh) 2010-12-07 2010-12-07 一种电活性聚合物材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102079818B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105470381A (zh) * 2016-01-11 2016-04-06 京东方科技集团股份有限公司 一种发电结构及其制备方法、电子设备
CN105733004B (zh) * 2016-04-21 2018-12-25 辽宁石油化工大学 一种全互穿型季铵化壳聚糖阴离子交换膜的制备方法
CN111205499A (zh) * 2020-03-11 2020-05-29 刘珂贝 一种纳米微晶纤维素压电材料及其制备方法
CN112406252A (zh) * 2020-10-12 2021-02-26 浙江理工大学 基于c-cnc纤维素的高性能电驱动ipmc柔性驱动器的制备方法
CN114369552A (zh) * 2022-01-15 2022-04-19 生态环境部南京环境科学研究所 修复典型异味污染农药场地的混合菌剂及制备方法和应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101117392A (zh) * 2007-07-26 2008-02-06 复旦大学 一种天然两性聚电解质电场敏感性水凝胶及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101117392A (zh) * 2007-07-26 2008-02-06 复旦大学 一种天然两性聚电解质电场敏感性水凝胶及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《塑料工业》 20031231 刘维锦等 纤维素/壳聚糖可生物降解膜的制备及力学性能 第44-46页 1-2 第31卷, 第12期 2 *
《高分子材料科学与工程》 20020731 郑化等 纤维素/羧甲基壳聚糖共混膜结构与抗菌性能 第124-128页 1-2 第18卷, 第4期 2 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105470381A (zh) * 2016-01-11 2016-04-06 京东方科技集团股份有限公司 一种发电结构及其制备方法、电子设备
US10615720B2 (en) 2016-01-11 2020-04-07 Boe Technology Group Co., Ltd. Power generator, manufacturing method, and electronic device
CN105733004B (zh) * 2016-04-21 2018-12-25 辽宁石油化工大学 一种全互穿型季铵化壳聚糖阴离子交换膜的制备方法
CN111205499A (zh) * 2020-03-11 2020-05-29 刘珂贝 一种纳米微晶纤维素压电材料及其制备方法
CN112406252A (zh) * 2020-10-12 2021-02-26 浙江理工大学 基于c-cnc纤维素的高性能电驱动ipmc柔性驱动器的制备方法
CN114369552A (zh) * 2022-01-15 2022-04-19 生态环境部南京环境科学研究所 修复典型异味污染农药场地的混合菌剂及制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN102079818B (zh) 2012-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. PEDOT-based conducting polymer actuators
CN102079818B (zh) 一种电活性聚合物材料及其制备方法
US7791251B2 (en) Biomimetic electro-active paper actuators
Zhang et al. Biomimetic porifera skeletal structure of lead-free piezocomposite energy harvesters
Wang et al. Tough ionogels: synthesis, toughening mechanisms, and mechanical properties─ a perspective
Zhang et al. Hierarchical Response Network Boosts Solvent-Free Ionic Conductive Elastomers with Extreme Stretchability, Healability, and Recyclability for Ionic Sensors
Zhang et al. Conductive hydrogels for bioenergy harvesting and self-powered application
CN111378190A (zh) 一种柔性纳米复合材料薄膜及其制备方法
Luo et al. Improving the output performance of bacterial cellulose-based triboelectric nanogenerators by modulating the surface potential in a simple method
Du et al. Recent progress on hydrogel-based piezoelectric devices for biomedical applications
Carvalho et al. Piezoelectric polymer composites for sensors and actuators
Bar-Cohen Electroactive polymers as an enabling materials technology
CN104900798A (zh) 具有双致动效应的电致动柔性聚合物、制备方法及测试方法
Wang et al. Anti-swelling zwitterionic hydrogels as multi-modal underwater sensors and all-in-one supercapacitors
Wu et al. Degradable supramolecular eutectogel-based ionic skin with antibacterial, adhesive, and self-healable capabilities
Fan et al. From emerging modalities to advanced applications of hydrogel piezoelectrics based on chitosan, gelatin and related biological macromolecules: A review
Ni et al. Flexible high-energy-density hybrid supercapacitors with alkaline hydrogel electrolytes
CN113724919B (zh) 一种用于实时监测的自发光柔性可穿戴器件
Cao et al. Ti2C3T x/Polyurethane Constructed by Gas–Liquid Interface Self-Assembly for Underwater Sensing
Xiao et al. Transparent, High Stretchable, Environmental Tolerance, and Excellent Sensitivity Hydrogel for Flexible Sensors and Capacitive Pens
Li et al. High-strength, freeze-resistant, recyclable, and biodegradable polyvinyl alcohol/glycol/wheat protein complex organohydrogel for wearable sensing devices
Zhou et al. Transparent, stretchable, and recyclable triboelectric nanogenerator based on an acid-and alkali-resistant hydrogel
Xiahou et al. Strategies for enhancing low-frequency performances of triboelectric, electrochemical, piezoelectric and dielectric elastomer energy harvesting: recent progress and challenges
Deng et al. Conductive Hydrogels with a Bilayer Structure to Realize Multifunctions in Extreme Environments
Di Pasquale et al. The evolution of ionic polymer metal composites towards greener transducers

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20121121

Termination date: 20151207

EXPY Termination of patent right or utility model