CN106299105B - Ipmc电化学驱动器、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IPMC电化学驱动器、其制备方法及应用。所述制备方法可以包括：提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜，并以碳纳米管膜、含导电聚合物单体的酸性溶液及辅助电极等构建三电极反应体系而进行电沉积反应，通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小、反应时间等条件，获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜；提供承载离子液体的聚合物电解质层；以及，将所述电解质层固定夹设于两个复合电极膜之间，从而获得所述IPMC电化学驱动器。本发明的IPMC电化学驱动器具有优异电机械响应性能，比如致动位移大、响应速率快、稳定性高、使用寿命长，在仿生智能材料领域具有广泛应用前景，且制备工艺简单，成本低廉，适于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种IPMC电化学驱动器及其制备方法，特别涉及一种基于垂直取向碳纳米管/导电聚合物复合电极的电化学驱动器及其制备方法，其可应用于制作人工肌肉等，属于材料科学领域。
背景技术
离子型电活性聚合物是一类能够在电场下，通过材料内部离子输运和重新分布产生形变的聚合物材料,近来，由于其轻质、柔性以及可获得大的致动形变，在智能机器人,微机电系统和工业电机械转换系统等方面得到了广泛的关注。在过去的几十年中，基于导电聚合物、聚合物凝胶和离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composites,IPMC)的离子型电活性聚合物，由于它们能在较低的电压下表现出大的形变和空气中稳定性而被人们广泛研究着。其中，IPMC在同等条件下，表现出的弯曲形变和响应速率远远优于聚合物凝胶和导电聚合物，因此在人工肌肉领域被广泛研究着。该智能材料由两电极层以及夹在两电极层之间的离子导电聚合物电解质层组成，其致动过程主要受电场下离子在电极层中的累计和在电解质层中的扩散迁移控制。因此快速的离子输运和电极中过量的离子储存，是获得快速大应变响应驱动器的重要条件。然而受限于离子在电解质层中的输运过程，大形变响应的时间会很长。因此，构筑即快速响应又能大形变致动的IPMC驱动器，仍任具有很大的挑战。
近来，碳管、石墨烯以其独具的大比表面积、优异的电学、力学、热学、电化学等优越性能，成为科研各领域的研究热点，尤其在IPMC电化学驱动器领域，随着碳纳米管、石墨烯在电极中的引入，驱动器的电机械响应特性得到了质的提高。比如，Asaka课题组利用毫米长单壁碳纳米管高的导电性(169S/cm)和强的力学性能(杨氏模量为156±59MPa)，制备的驱动器表现出高的应变和应力速度输出(2.28％/s,3.26MPa/s)。同时，我们课题组利用多孔二维石墨烯的层状结构，从而有利于离子的嵌入迁出电极，制备了高性能的驱动器。但是，低维纳米碳材料的由于其低的电化学活性，导致驱动器的形变能力无法进一步提高，然而导电聚合物具有高的电化学活性，但是导电率较低，很难获得高性能的IPMC器件。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种IPMC电化学驱动器及其制备方法。
为实现前述发明目的，本发明一实施方案之中提供的一种IPMC电化学驱动器的制备方法包括：
提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜，并以所述碳纳米管膜作为工作电极，以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液，同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应，其中通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小和反应时间中的任一种或两种以上条件，从而获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜；
提供承载离子液体的聚合物电解质层；
以及，将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜之间，从而获得所述IPMC电化学驱动器。
作为较佳实施方案之一，所述制备方法包括：将碳纳米管粉体分散于有机溶剂形成浓度为0.1～20mg/ml的碳纳米管分散液，再将碳纳米管分散液置于衬底上于20～150℃蒸发除去溶剂而形成所述碳纳米管膜。
较为优选的，所述电解液包含浓度为0.001～1M的导电聚合物单体。
其中，所述导电聚合物单体可优选自但不限于苯胺、吡咯和3,4-乙烯二氧噻吩中的任一种或两种以上的组合。
较为优选的，所述酸性溶液包含浓度为0.1～10M的酸性物质。
其中，所述酸性物质可优选自但不限于高氯酸、硫酸、盐酸、樟脑磺酸、对甲苯磺酸中的任一种或两种以上的组合。
作为较佳实施方案之一，所述电沉积反应中采用的电流密度为0.001～100mA/cm2，电压为0.75～1.2V，时间为5min～50h。
作为较佳实施方案之一，所述制备方法包括：将聚合物与离子液体溶于有机溶剂中形成混合溶液，并取混合溶液置于衬底上于30～200℃蒸发除去溶剂而形成所述电解质层。
较为优选的，所述电解质层包含5wt％～80wt％离子液体。
其中，所述离子液体的阳离子包括季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子中的任一种或两种以上的组合，阴离子包括卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子中的任一种或两种以上的组合。
尤其优选的，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亚胺盐。
进一步的，所述聚合物可优选自但不限于热塑性聚氨酯、聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)、壳聚糖、全氟磺酸中的任一种或两种以上的组合。
作为较佳实施方案之一，所述制备方法包括：将至少一所述电解质层设于至少两个所述复合电极膜之间，再通过热压方式而使该至少一电解质层和该至少两个复合电极膜固定结合，从而获得所述IPMC电化学驱动器。
较为优选的，前述的热压温度为40℃～200℃，热压方式包括一步热压或逐步热压方式。
其中，所述有机溶剂可优选自但不限于N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮中的任一种或两种以上的组合。
其中，所述衬底可优选自但不限于金属、玻璃、陶瓷、硅、聚四氟乙烯衬底中的任一种。
其中，所述辅助电极可优选自但不限于铂片。
其中，所述参比电极可优选自但不限于饱和Ag/AgCl电极。
本发明的一实施例之中还提供了由前述任一种方法制备的IPMC电化学驱动器。
进一步的，所述电化学驱动器的驱动电压为-6～6V，响应频率为0.001～100Hz，且所述驱动电压包括方波、三角波、正弦波电压中的任一种。
本发明的一实施例中还提供了所述IPMC电化学驱动器的用途。
例如，作为应用方案之一，本发明提供了一种仿生装置，其包括所述的IPMC电化学驱动器。
其中，所述仿生装置包括人工肌肉，当然也可以是离子皮肤等等。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)提供的IPMC电化学驱动器制备方法具有成本低廉、工艺简单、易于大规模生产等优势；
(2)提供的IPMC电化学驱动器表现出优异的电机械响应性能，比如大的致动位移、快的响应速率、高的稳定性和高的使用寿命，在仿生智能材料领域具有广泛应用前景，例如可应用于制备昆虫翅膀、盲文显示，医疗导管等。
附图说明
图1为本发明一典型实施方案之中一种基于垂直取向碳纳米管/导电聚合物复合电极的IPMC电化学驱动器的制备工艺流程图；
图2为实施例1中垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极材料的截面扫面电镜图；
图3为实施例1中垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极材料的拉曼光谱图；
图4为实施例1中IPMC驱动器在方波电压为±3V，频率范围为0.01～50Hz时，最大致动位移随频率的变化曲线图；
图5为本实施例1中IPMC驱动器在方波电压为3V，频率为30Hz下的弯曲位移曲线图。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种基于垂直取向碳纳米管/导电聚合物复合电极的IPMC电化学驱动器的制备工艺，其可以包括：
提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜，并以所述碳纳米管膜作为工作电极，以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液，同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应，其中通过调控电解液浓度、电流大小、电压大小和反应时间中的任一种或两种以上条件，从而获得碳纳米管阵列与导电高分子复合电极膜；
提供承载离子液体的聚合物电解质层，以及，将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜之间，从而获得所述IPMC电化学驱动器。
请参阅图1，在本发明的一较为典型的实施方案之中，所述制备方法可以包括如下步骤：
S1、制备碳纳米管/导电聚合物复合电极膜：将碳纳米管粉体分散于氮，氮-二甲基乙酰胺等又及溶剂中形成分散液，取分散液置于衬底上蒸发溶剂形成碳纳米管膜；将碳纳米管膜放置到含有导电聚合物单体的酸性溶液中，进行电场诱导和电化学沉积，形成具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜；
S2、制备支撑离子液体的聚合物电解质层：将聚合物与离子液体按一定比例溶于氮，氮-二甲基甲酰胺中形成混合溶液，取混合溶液置于衬底上蒸发溶剂形成电解质层；
S3、将两电极膜与夹在其中间的电解质层通过热压形成IPMC电化学驱动器。
前述碳纳米管分散液、电解液、导电聚合物、离子液体的材质等及相关工艺条件详如前文所列，此处不在赘述。
在一更为具体的实施方案之中，前述步骤S1可以包括：将碳纳米管粉体分散于氮，氮-二甲基乙酰胺中形成分散液，取分散液置于衬底上蒸发溶剂形成碳纳米管膜；然后，设计三电极体系，利用添加导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液，碳纳米管膜作为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，通过电场诱导以及在碳纳米管表面电化学氧化聚合导电聚合物，再者，调控电解液浓度，电沉积时电流、电压大小和反应时间，形成垂直阵列碳纳米管/导电聚合物复合材料。
本发明的另一个方面提供了一种由前述方法制备的IPMC电化学驱动器，其可包括至少一电解质层，该至少一电解质层位于至少两个所述复合电极膜之间，且与该至少两个复合电极膜固定结合。
所述IPMC电化学驱动器的驱动电压可为方波、三角波、正弦波电压中的一种，且电压范围可以为-6～6V，频率响应范围可以为0.001～100Hz。
本发明通过采用无序碳纳米管形成膜作为原料，并利用电场诱导一步实现了碳纳米管阵列与导电高分子复合材料的制备，且工艺简单，原料廉价，无需复杂设备，成本低廉，适应工业化生产的需求，并且所获碳纳米管阵列与导电高分子复合材料在应为电极材料时，在具有高导电性的同时，也还兼具高电化学活性，一方面可以对电化学驱动器的致动变形能力产生质的提升，另外一方面，其自身结构还使其有利于离子的快速嵌入过程，进而提高所述驱动器的电机械响应过程。故而，本发明的IPMC电化学驱动器表现出优异的电机械响应性能，比如大的致动位移、快的响应速率、高的稳定性和高的使用寿命。
以下结合附图及若干实施例对本发明的技术方案作更为具体的解释说明。
实施例1
称取100mg单壁碳纳米管粉末分散于40ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为2.5mg/ml的分散液。取3ml碳纳米管分散液置入到尺寸为75x25cm2玻璃衬底上，25℃低温烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质苯胺单体(0.1M)和溶剂高氯酸(1M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为1mA/cm2，电压为0.75V，生长时间为30min后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。通过扫描电镜截面形貌(如图2)，可以看到碳纳米管/聚苯胺在断面处呈现出垂直取向分布。同时，由拉曼光谱图(图3)进一步证明了此材料为碳纳米管和聚苯胺的复合材料。
将聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)(1g)与EMIBF4(2g)溶于20ml氮，氮二甲基甲酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液体铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的玻璃载玻片衬底上，并在80℃的加热平台上烘干得到承载离子液体质量分数为66.7％电解质层。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过逐步热压法，首先在110℃下热压5min，再在90℃热压15min形成三层电化学驱动器件(简称IPMC电化学驱动器)。将三层膜裁剪成长宽尺寸为20x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。如图4，在方波电压为±3V，频率为0.01～50Hz下，电化学驱动器表现出较高的电机械响应性能。在低频0.01Hz时，驱动器呈现出的最大致动位移能达到17.1mm，当频率升高到30Hz时，最大致动位移高达8.1mm，图5为该驱动器的弯曲位移示意图。
实施例2
称取40mg单壁碳纳米管粉末分散于80ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为0.5mg/ml的分散液。取15ml碳纳米管分散液分5次，置入到尺寸为75x25cm2铝箔衬底上，在120℃下烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质吡咯单体(0.01M)和溶剂盐酸(0.1M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为10mA/cm2，电压为0.8V，生长时间为1h后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。
热塑性聚氨酯(1g)与EMITFSI(0.5g)溶于20ml氮，氮二甲基甲酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液体铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的聚四氟乙烯衬底上，并在120℃的加热平台上烘干得到承载离子液体质量分数为33.3％电解质层。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过逐步热压法，首先在140℃下热压5min，再在110℃热压15min形成三层电化学驱动器件。将三层膜裁剪成长宽尺寸为20x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。该IPMC电化学驱动器在三角波电压±2V，低频0.1Hz时，呈现出的致动位移为7.3mm。
实施例3
称取600mg单壁碳纳米管粉末分散于40ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为15mg/ml的分散液。取2ml碳纳米管分散液分置入到尺寸为75x25cm2聚四氟乙烯衬底上，在60℃下烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质3,4-乙烯二氧噻吩单体(0.001M)和溶剂樟脑磺酸(1M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为100mA/cm2，电压为1V，生长时间为2h后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向排列的碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。
将壳聚糖与EMIBF4溶于氮，氮二甲基乙酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液体铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的陶瓷衬底上，并在80℃的加热平台上烘干得到高聚物支撑离子液体的电解质层(其中，离子液体在电解质层中的质量分数为70％)。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过逐步热压法，首先在90℃下热压5min，再在65℃热压15min形成三层电化学驱动器件。将三层膜裁剪成长宽尺寸为25x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。该IPMC电化学驱动器在正弦波电压±4V，低频0.001Hz时，呈现出的致动位移为19mm。
实施例4
称取75mg单壁碳纳米管粉末分散于50ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为2.5mg/ml的分散液。取2ml碳纳米管分散液分置入到尺寸为75x25cm2陶瓷衬底上，在40℃下烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质苯胺单体(1M)和溶剂对甲苯磺酸(1M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为0.01mA/cm2，电压为1.2V，生长时间为5h后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。
将全氟磺酸与EMITFSI溶于氮，氮二甲基乙酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液体铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的铝箔衬底上，并在80℃的加热平台上烘干得到高聚物支撑离子液体的电解质层(其中，离子液体在电解质层中的质量分数为10％)。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过在60℃热压30min形成三层电化学驱动器件。将三层膜裁剪成长宽尺寸为20x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。该IPMC电化学驱动器在方波电压±5V，低频1Hz时，呈现出的致动位移为5.8mm。
实施例5
称取75mg单壁碳纳米管粉末分散于50ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为2.5mg/ml的分散液。取2ml碳纳米管分散液分置入到尺寸为75x25cm2玻璃衬底上，在25℃下烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质苯胺单体(0.1M)和溶剂对高氯酸(10M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为0.001mA/cm2，电压为0.7V，生长时间为40h后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。
热塑性聚氨酯与EMIBF4溶于氮，氮二甲基乙酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的玻璃载玻片基底上，并在80℃的加热平台上烘干，从而得到高聚物支撑离子液体的电解质层(其中，离子液体在电解质层中的质量分数为20％)。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过在180℃热压5min形成三层电化学驱动器件。将三层膜裁剪成长宽尺寸为20x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。该IPMC电化学驱动器在方波电压±1V，低频10Hz时，呈现出的致动位移为1.2mm。
实施例6
称取75mg单壁碳纳米管粉末分散于50ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为2.5mg/ml的分散液。取2ml碳纳米管分散液分置入到尺寸为75x25cm2硅衬底上，在25℃下烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质吡咯单体(0.1M)和溶剂对硫酸(1M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为0.5mA/cm2，电压为0.9V，生长时间为40min后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向排列的碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。
将聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)与EMIBF4溶于氮，氮二甲基乙酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液体铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的硅片衬底上，并在80℃的加热平台上烘干得到电解质层(其中，离子液体在电解质层中的质量分数为80％)。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过在80℃热压20min形成三层电化学驱动器件。将三层膜裁剪成长宽尺寸为20x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。该IPMC电化学驱动器在方波电压±6V，低频100Hz时，呈现出的致动位移为0.1mm。
实施例7
称取75mg单壁碳纳米管粉末分散于50ml氮，氮-二甲基乙酰胺溶剂中，细胞粉碎超声30min，配置成浓度为2.5mg/ml的分散液。取2ml碳纳米管分散液分置入到尺寸为75x25cm2玻璃衬底上，在25℃下烘干后，再放到80℃真空烘箱里保温1天，获得碳纳米管膜。之后构置三电极体系利用电场诱导以及电化学氧化聚合垂直取向排列碳纳米管/导电聚合物复合材料：以碳纳米管膜为工作电极，饱和Ag/AgCl溶液为参比电极，Pt片为辅助电极，溶质3,4-乙烯二氧噻吩单体(0.1M)和溶剂对硫酸(1M)为电解液；利用恒电流模式来进行电场诱导和电化学氧化聚合导电聚合物。控制电流密度为0.05mA/cm2，电压为0.8V，生长时间为20min后，用水和乙醇各洗3次，再在60℃真空烘箱中烘干1天，得到垂直取向排列的碳纳米管/聚苯胺复合电极膜。
将全氟磺酸与EMIBF4溶于氮，氮二甲基乙酰胺溶液中，搅拌一天后，取混合液体铸入于尺寸为7.5×2.5cm2的玻璃载玻片衬底上，并在80℃的加热平台上烘干得到承载离子液体质量分数为40％电解质层。将两垂直取向碳纳米管/聚苯胺复合电极膜和高聚物支持离子液体的电解质层通过在150℃热压10min形成三层电化学驱动器件。将三层膜裁剪成长宽尺寸为20x2.5cm大小进行电化学和电机械性能测试。利用CHI760D电化学工作站对驱动器件作为电压、频率输出的信号源，利用Keyence LK-G800激光定位仪进行驱动弯曲的位移测试。该IPMC电化学驱动器在正弦波电压±5V，低频80Hz时，呈现出的致动位移为0.2mm。
以上所列出的一系列详细说明仅仅是针对本发明的优选实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明所做的等效实施方式或变更均应包换在本发明保护范围之内。
Claims (12)
1.一种IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于包括：
提供主要由复数无序碳纳米管交织组成的碳纳米管膜，并以所述碳纳米管膜作为工作电极，以含导电聚合物单体的酸性溶液作为电解液，所述电解液包含浓度为0.001～1M的导电聚合物单体和浓度为0.1～10M的酸性物质，同时配合辅助电极及参比电极形成三电极反应体系而进行电沉积反应，所述电沉积反应中采用的电流密度为0.001～100mA/cm2，电压为0.75～1.2V，时间为5min～50h，从而获得具有垂直取向的碳纳米管/导电聚合物复合电极膜；
提供承载离子液体的聚合物电解质层；
以及，将至少一所述电解质层固定夹设于至少两个所述复合电极膜之间，从而获得所述IPMC电化学驱动器。
2.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于包括：将碳纳米管粉体分散于有机溶剂形成浓度为0.1～20mg/ml的碳纳米管分散液，再将碳纳米管分散液置于衬底上于20～150℃蒸发除去溶剂而形成所述碳纳米管膜。
3.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于：所述导电聚合物单体包括苯胺、吡咯和3,4-乙烯二氧噻吩中的任一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于：所述酸性物质包括高氯酸、硫酸、盐酸、樟脑磺酸、对甲苯。
5.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于包括：将聚合物与离子液体溶于有机溶剂中形成混合溶液，并取混合溶液置于衬底上于30～200℃蒸发除去溶剂而形成所述电解质层。
6.根据权利要求1或5所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于：所述电解质层包含5wt％～80wt％离子液体；所述离子液体的阳离子包括季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子中的任一种或两种以上的组合，阴离子包括卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子中的任一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求6所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于：所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酰亚胺盐。
8.根据权利要求6所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于：所述聚合物包括热塑性聚氨酯、聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)、壳聚糖、全氟磺酸中的任一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于包括：将至少一所述电解质层设于至少两个所述复合电极膜之间，再通过热压方式而使该至少一电解质层和该至少两个复合电极膜固定结合，从而获得所述IPMC电化学驱动器；其中热压温度为40℃～200℃，热压方式包括一步热压或逐步热压方式。
10.根据权利要求2所述IPMC电化学驱动器的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂包括N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮中的任一种或两种以上的组合。
11.由权利要求1-10中任一项所述方法制备的IPMC电化学驱动器，所述电化学驱动器的驱动电压为-6～6V，响应频率为0.001～100Hz，且所述驱动电压包括方波、三角波、正弦波电压中的任一种。
12.一种仿生装置，其包括权利要求11所述的IPMC电化学驱动器，所述仿生装置为人工肌肉。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |