CN102505116A - 一种离子聚合物-金属复合人工肌肉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子聚合物-金属复合人工肌肉及其制备方法，对Nafion膜进行打磨和超声清洗后，并浸泡于NaOH溶液中，实现将Nafion膜中的氢离子交换成钠离子，将交换后的Nafion膜浸泡于银氨溶液中，以实现银氨离子对钠离子的交换，向反应体系中加入还原剂溶液进行反应，直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子为止，重复上述步骤，以使Nafion膜不仅在内部，而且在表层也附着银。本发明提供使用易于还原且价格相对低廉的银做电极克服使用金、铂等昂高贵金属做电极的高成本缺点，选择具有温和还原性的葡萄糖和维生素C替换具有强还原性的硼氢化钠，有效控制化学还原速度，减少环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及属新型人工肌肉驱动器技术领域，更具体地说，具体涉及一种离子聚合物-金属复合人工肌肉的制备方法金属复合人工肌肉及其制备方法。
背景技术
人工肌肉是一种具有驱动性能的新型材料。常见的人工肌肉分为气动人工肌肉和电动人工肌肉。由于气动人工肌肉在工作时需要连接庞大的负载，故在微型致动领域的应用受到了限制。电动人工肌肉又分为电子型人工肌肉和离子型人工肌肉。电子型人工肌肉需要的驱动电压较高，能量消耗大，而离子型人工肌肉可以在较低的电压下产生较大的致动效果。
离子型人工肌肉由离子聚合物基体和位于基体上下表层的金属电极复合而成。离子聚合物内部充满了可自由移动的水合阳离子。当在上下电极之间施加交流电压时，水合阳离子会向阴极移动，使阴极区域的材料膨胀，阳极由于水分子减少而收缩，这样人工肌肉会产生摆动行为，将电能转化为机械能。由于离子聚合物-金属复合人工肌肉具有驱动电压低、能量密度高、性能接近哺乳动物肌肉、质量轻便以及容易加工裁切等诸多优点，故在微型驱动器、传感器以及人造肌肉领域有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种离子聚合物-金属复合人工肌肉，使用易于还原且价格相对低廉的银做电极克服使用金、铂等昂高贵金属做电极的高成本缺点，选择具有温和还原性的葡萄糖和维生素C替换具有强还原性的硼氢化钠，有效控制化学还原速度，减少环境污染。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
第一，对Nafion膜进行打磨和超声清洗后，并浸泡于NaOH溶液中，实现将Nafion膜中的氢离子交换成钠离子
第二，将交换后的Nafion膜浸泡于银氨溶液中，以实现银氨离子对钠离子的交换
第三，向反应体系中加入还原剂溶液进行反应，直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子为止，再升高温度至55-70℃，继续反应1-2小时后取出Nafion膜进行清洗
第四，重复上述第二和第三步骤，以使Nafion膜不仅在内部，而且在表层也附着银
其中，所述的还原剂溶液为葡萄糖的水溶液或者维生素C的水溶液，还原剂溶液的浓度为0.07-0.075mol/L。
所述的银氨溶液的浓度为0.030-0.035mol/L，浸泡温度为20-25℃。
本发明所提供的离子聚合物-金属复合人工肌肉，以Nafion商用膜为基体，相对廉价的银为电极，有效地降低了制造的成本。通过使用温和的还原剂：葡萄糖和维生素C，显著地降低了化学还原反应的速度，使电极在基体表面的附着更加牢固、均匀和致密，电极的导电性也较好。该离子聚合物-金属复合人工肌肉在微型机器人驱动器、微型传感器以及人造肌肉等领域具有广阔的应用前景和较高的实用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。选用DuPont公司的Nafion膜。
实施例1
第一步.分别用600目到2000目砂纸，由粗到细沿着互相垂直的方向打磨Nafion膜基体，使基体表面具有均匀的粗糙度，基体膜尺寸为45mm×15mm。
第二步.将步骤一得到的基体在去离子水中超声清洗后浸泡于浓度为0.25mol/L的NaOH溶液中。
第三步.将步骤二得到的基体浸泡于银氨溶液中12小时，银氨溶液的浓度为0.030mol/L，浸泡温度为20℃。
第四步.在步骤三的混合体系中加入葡萄糖溶液，在40℃温度下反应直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子，葡萄糖溶液的浓度为0.075mol/L。
第五步.将步骤四的混合体系升温到60℃，继续反应1小时。
第六步.将步骤五中镀有银的膜取出，在0.25mol/L的NaOH溶液中超声清洗10分钟。
第七步.将步骤六的膜浸泡在银氨溶液中1小时，银氨溶液浓度为0.075mol/L。
第八步.在步骤七的混合体系中加入葡萄糖溶液，在40℃温度下反应直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子，葡萄糖溶液的浓度为0.075mol/L。
第九步.将步骤八的混合体系升温到60℃，继续反应1小时。
第十步.将步骤九中镀有银的膜取出，在0.25mol/L的NaOH溶液中超声清洗10分钟。
第十一步.将步骤十得到的镀有银的膜在去离子水中清洗，并保存在去离子水中即制得离子聚合物-金属复合人工肌肉。
将该人工肌肉剪去四个边缘，得到尺寸为35mm×10mm的人工肌肉样品。在样品上下电极之间施加幅值为1.5V，频率为0.2Hz的正弦交变电场即可发生摆动行为，实现驱动功能，最大末端位移为30-35mm。
实施例2
第一步.分别用600目到2000目砂纸，由粗到细沿着互相垂直的方向打磨Nafion膜基体，使基体表面具有均匀的粗糙度，基体膜尺寸为45mm×15mm。
第二步.将步骤一得到的基体在去离子水中超声清洗后浸泡于浓度为0.25mol/L的NaOH溶液中。
第三步.将步骤二得到的基体浸泡于银氨溶液中12小时，银氨溶液的浓度为0.030mol/L，浸泡温度为20℃。
第四步.在步骤三的混合体系中加入维生素C溶液，在40℃温度下反应直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子，维生素C溶液的浓度为0.075mol/L。
第五步.将步骤四的混合体系升温到60℃，继续反应1小时。
第六步.将步骤五中镀有银的膜取出，在0.25mol/L的NaOH溶液中超声清洗10分钟。
第七步.将步骤六的膜浸泡在银氨溶液中1小时，银氨溶液浓度为0.075mol/L。
第八步.在步骤七的混合体系中加入维生素C溶液，在40℃温度下反应直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子，维生素C溶液的浓度为0.075mol/L。
第九步.将步骤八的混合体系升温到60℃，继续反应1小时。
第十步.将步骤九中镀有银的膜取出，在0.25mol/L的NaOH溶液中超声清洗10分钟。
第十一步.将步骤十得到的镀有银的膜在去离子水中清洗，并保存在去离子水中即制得离子聚合物-金属复合人工肌肉。
将该人工肌肉剪去四个边缘，得到尺寸为35mm×10mm的人工肌肉样品。在样品上下电极之间施加幅值为1.5V，频率为0.2Hz的正弦交变电场即可发生摆动行为，实现驱动功能，，最大末端位移为30-35mm。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种离子聚合物-金属复合人工肌肉，其特征在于，按照下述步骤进行制备：
第一，对Nafion膜进行打磨和超声清洗后，并浸泡于NaOH溶液中，实现将Nafion膜中的氢离子交换成钠离子
第二，将交换后的Nafion膜浸泡于银氨溶液中，以实现银氨离子对钠离子的交换
第三，向反应体系中加入还原剂溶液进行反应，直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子为止，再升高温度至55-70℃，继续反应1-2小时后取出Nafion膜进行清洗
第四，重复上述第二和第三步骤，以使Nafion膜不仅在内部，而且在表层也附着银。
2.根据权利要求1所述的一种离子聚合物-金属复合人工肌肉，其特征在于，所述的银氨溶液的浓度为0.030-0.035mol/L，浸泡温度为20-25℃。
3.根据权利要求1所述的一种离子聚合物-金属复合人工肌肉，其特征在于，所述的还原剂溶液为葡萄糖的水溶液或者维生素C的水溶液，还原剂溶液的浓度为0.07-0.075mol/L。
4.一种制备离子聚合物-金属复合人工肌肉的方法，其特征在于，按照下述步骤进行制备：
第一，对Nafion膜进行打磨和超声清洗后，并浸泡于NaOH溶液中，实现将Nafion膜中的氢离子交换成钠离子
第二，将交换后的Nafion膜浸泡于银氨溶液中，以实现银氨离子对钠离子的交换
第三，向反应体系中加入还原剂溶液进行反应，直到用NaBH4水溶液检验不到银氨离子为止，再升高温度至55-70℃，继续反应1-2小时后取出Nafion膜进行清洗
第四，重复上述第二和第三步骤，以使Nafion膜不仅在内部，而且在表层也附着银。
5.根据权利要求4所述的一种制备离子聚合物-金属复合人工肌肉的方法，其特征在于，所述的银氨溶液的浓度为0.030-0.035mol/L，浸泡温度为20-25℃。
6.根据权利要求4所述的一种制备离子聚合物-金属复合人工肌肉的方法，其特征在于，所述的还原剂溶液为葡萄糖的水溶液或者维生素C的水溶液，还原剂溶液的浓度为0.07-0.075mol/L。
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| CN101220168A (zh) * | 2007-12-24 | 2008-07-16 | 南京航空航天大学 | 一种多孔的全氟离子交换膜及其制法和用途 |
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