CN106653994A - 一种单层电极型ipmc结构及其制备工艺 - Google Patents

一种单层电极型ipmc结构及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单层电极型IPMC结构及其制备工艺，其特征在于：是在基体膜层的一面涂覆有封装层，另一面设置有电极层；电极层由至少两片间隔设置的片状电极构成；基体膜层的材料为聚电解质聚合物；在通过电路连接外加激励使不同电极之间形成电势差后，基体膜层内部的水合离子带动部分自由水分子发生定向迁移，使得IPMC整体产生S型多自由度变形。本发明的结构巧妙利用了离子型电致动聚合物的电致动基本原理，在激励下可产生变形，对开发多自由度运动软体机器人或者柔性电子器件具有重要现实意义。

Description

一种单层电极型IPMC结构及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种单层电极型离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer-MetalComposites，IPMC)结构及其制备工艺，属于柔性智能材料的制备及应用领域。
背景技术
典型的IPMC为“电极-基体膜-电极”三层式结构，即电极有两层，分布在基体膜的上下两面。一般通过电镀、化学镀、喷墨打印、热压等方法在基体膜(阳离子/阴离子交换膜)的上下表面各镀覆一层电极制得。另有研究报道过柱状、管状等特殊形状IPMC(MohsenShahinpoor et al.Smart Mater.Struct.14(2005)197–214)，均为这种三层式结构的变形形式，其共同点是在基体膜上下两层电极层之间施加电压激励，材料会产生弯曲变形。以Nafion-117膜上镀覆Pd电极形成的层状IPMC为例，对其施加电压激励时，在电场力的作用下材料内部可自由移动的阳离子带动水分子由阳极向阴极方向迁移，材料内部的水分子分布不平衡使得IPMC整体产生向阳极方向的弯曲变形。
随着应用领域的拓宽，以弯曲形变为结果的目标输出越来越难以满足应用多样化的要求。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种单层电极型IPMC结构及其制备工艺，旨在利用基体膜层内部水合离子及部分自由水分子在电场作用下的定向移动，使得IPMC产生复杂曲面变形。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的单层电极型IPMC结构，其特点在于：是在基体膜层的一面涂覆有封装层，另一面设置有电极层；所述电极层由至少两片间隔设置的片状电极构成；所述基体膜层的材料为聚电解质聚合物；封装层可减缓或防止基体膜层内部的溶剂蒸发耗散；
当所述基体膜层内部为水合阳离子时：在向所述电极层通电前，所述基体膜层内部的水合阳离子及自由水分子均匀分布；在通过电路连接外加激励使不同电极之间形成电势差后，所述基体膜层内部的水合阳离子带动部分自由水分子由高电势处向低电势处定向迁移，高电势处的基体膜层沿着厚度方向位于上层的水合阳离子及自由水分子减少而产生向上弯曲的变形，低电势处增多而产生向下弯曲的变形，从而使得单层电极型IPMC结构整体产生S型变形；
当所述基体膜层内部为水合阴离子时：在向所述电极层通电前，所述基体膜层内部的水合阴离子及自由水分子均匀分布；在通过电路连接外加激励使不同电极之间形成电势差后，所述基体膜层内部的水合阴离子带动部分自由水分子由低电势处向高电势处定向迁移，低电势处的基体膜层沿着厚度方向位于上层的水合阳离子及自由水分子减少而产生向上弯曲的变形，高电势处增多而产生向下弯曲的变形，从而使得单层电极型IPMC结构整体产生S型变形；
所述电极层由至少由2片电极组成，每两片电极之间均存在间隙。每片电极的长度和宽度均不超过10cm，相邻电极的间隙不超过1cm。
所述电极材料可选自但不限于：Au、Ag、Pt、Pd等贵金属，Cu、Ni等普通金属，石墨烯/碳纳米管，或其混合物。
所述基体膜层可选自Dupont公司的Nafion系列离子交换膜、Asahi Chemical公司的Aciplex系列离子交换膜、Asahi Glass公司的Flemion系列离子交换膜或SolvaySolexis公司的Aquivion系列离子交换膜。
所述封装层的材料可以为金属、聚四氟乙烯和硅橡胶中的至少一种。
上述单层电极型IPMC结构的制备工艺为：
首先将基体裁剪成所需形状，打磨上下表面、清洗残留在表面的杂质，形成备用基体膜层；然后用掩膜材料对基体膜层的一个面进行掩盖后，再将电极材料镀覆到基体膜层的另一面，通过激光切割或刻蚀，将整片式电极按需要分成至少两片间隔设置的片状电极，形成电极层；最后去除掩膜材料并在未蒸镀电极层的一面涂覆封装材料，形成封装层，即获得单层电极型IPMC结构；
或者：首先将基体裁剪成所需形状，打磨上下表面、清洗残留在表面的杂质，形成备用基体膜层；然后用掩膜材料对基体膜层的一个面和另一面无需镀覆电极的区域进行掩盖后，再将电极材料镀覆到基体膜层的裸露部分，形成电极层；最后去除掩膜材料并在未蒸镀电极层的一面涂覆封装材料，形成封装层，即获得单层电极型IPMC结构；
或者：首先将基体裁剪成所需形状，打磨上下表面、清洗残留在表面的杂质，形成备用基体膜层；然后在基体膜层的两个面镀覆整片式电极；其中一面作为封装层；另一面通过激光切割或刻蚀，按需要分成至少两片间隔设置的片状电极，形成电极层，即获得单层电极型IPMC结构。
所述掩膜材料可选自但不限于聚丙烯酸酯双面泡绵胶带、硅胶、光敏树脂或AgCl沉淀层。
所述激光切割或刻蚀的深度比电极层厚度大1-10微米。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的单层电极型IPMC结构，与普通“电极-基体膜-电极”三明治结构IPMC驱动器相比，通过简单的结构即可产生S型复杂弯曲变形，对推动IPMC在复杂曲面驱动器领域的应用起到重要作用；且与图案化IPMC驱动器、IPMC自传感驱动器相比，本发明的单层电极型IPMC结构在使用时所需的外电路控制系统更为简单；
本发明的单层电极型IPMC致动器巧妙利用了离子型电致动聚合物的电致动基本原理，在激励下可产生多自由度变形，使其在制作多自由度运动柔性机器人(如仿生鳐鱼、爬坡机器人、仿尺蠖机器人等)或者柔性电子器件(如盲人触摸屏、微流量系统、变焦距光学器件等)方面具有更加明显的优势。
附图说明
图1为本发明一种典型的单层电极型IPMC结构在通电变形前后的微观机理图，其中：(a)为通电前，单层电极IPMC呈水平形态，内部水分子和水合阳离子均匀分布；(b)为通电变形后，单面电极上分布电场，水合阳离子带动部分自由水分子由正电极处往负电极处迁移，正电极处的基体膜层沿着厚度方向位于上层的物质减少而产生向上弯曲的变形，负电极处增多而产生向下弯曲的变形，从而使得单层电极型IPMC结构整体产生S型变形。
图2为本发明实施例1中两片电极式的单层电极型IPMC结构的爆炸图。
图3为对本发明实施例1中的单层电极型IPMC材料施加7V直流电压激励的形变示意图，其中：(a)为通电前，单层电极IPMC呈水平形态；(b)为通电变形后，单层电极型IPMC产生S型变形。
图4为本发明实例3中三片电极式的单层电极型IPMC结构的爆炸图。
图中标号：1为封装层；2为基体膜层；3为电极层；4为水合阳离子；5为自由水分子。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行清晰、完整地描述。所描述的实施例只是本发明的一部分实施方式，不能代表全部的实施方式。基于本发明中提到的新型结构特征及材料应用，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，本实施例的单层电极型IPMC结构，是在基体膜层2的一面涂覆有封装层1，另一面设置有电极层3；电极层由两片间隔设置的片状电极构成。
其制备工艺如下：
(1)以Dupont公司的Nafion-117膜为基体，将其裁剪成10mm×40mm的规格，再通过喷砂打磨上下表面各30s，注意基体与喷头距离10-20cm之间并且均匀打磨；
将打磨后的基体在含有20％乙醇的去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗机参数设置如下：60℃，30min；
将超声波清洗后的基体在0.2mol/L的HCl溶液中煮洗30min，温度设置为100℃；
将HCl溶液中煮洗过的基体膜在去离子水中煮洗30min，温度设置为100℃；
将煮洗后的基体取出，用滤纸吸去表面的水分，获得备用基体膜层；
(2)以VHB胶带为掩膜材料对基体膜层进行单面掩膜处理；
(3)以Pd为电极材料通过化学镀在基体膜层末掩膜的一面镀上Pd电极，具体操作为：
(31)量取18.884mg的Pd(NH3)4Cl2、7.692mL去离子水、1.025mL的NH3H2O(质量分数为25％～28％，下同)配置成Pd离子溶液，将掩膜后的基体膜层在Pd离子溶液中浸泡2h以上，取出，去离子水冲洗2次；
(32)量取10.294mL去离子水、0.034mL的NH3H2O配置成镀液；将浸泡后的基体膜层浸入镀液中；将浸有基体膜层的镀液置入电热恒温水浴箱中，往镀液中滴入0.175mL的NaBH4溶液(0.85g/L，下同)，在30℃均匀震荡的环境中反应30min；第2次往镀液中滴入0.175mL的NaBH4溶液，在40℃均匀震荡的环境中反应30min；第3次往镀液中滴入0.175mL的NaBH4溶液，在50℃均匀震荡的环境中反应30min；反应结束后，在基体膜层的一面形成Pd电极，取出，去离子水冲洗2次；
再重复步骤(31)、(32)两次，初步得到IPMC；
(4)通过化学镀的方法在Pd电极上再镀上一层Pd电极，从而有效减小电极层的表面电阻，具体操作如下：
(41)将上述基体膜层在0.2mol/L的HCl溶液中浸泡1h，取出，去离子水冲洗两次；
(42)量取18.78mL去离子水、2.504mL的NH3H2O、0.225g的NaEDTA、11.526mg的Pd(NH3)4Cl2、0.070425g的PVP配置成镀液；将基体膜层浸入镀液中；将浸有IPMC的镀液置入电热恒温水浴箱中，往镀液中滴入0.016mL的NH2NH2溶液(质量分数为2％，下同)，在40℃均匀震荡的环境中反应30min；每隔30min调高温度3℃，且滴加0.016mL的NH2NH2，达到58℃反应结束后，取出，去离子水冲洗2次；
再重复步骤(42)一次，进一步得到电极层更厚的IPMC；
(5)采用激光切割沿着基体膜层宽度方向将其表面的整片式电极切割成2片间隔设置的片状电极，激光切割机参数设置为：7W、15mm/s、2次切割。切割结束后，即在基体膜层的一面形成电极层。
(6)小心去除基体膜层另一面的掩膜材料，取聚四氟乙烯膜，在其表面涂抹硅橡胶后覆盖于基体膜上作为封装层，即完成两电极式单层电极型IPMC结构的制备，两片电极的间隙为0.3mm左右。
对单层电极型IPMC材料施加7V直流电压激励，其将产生S型形变，如图3所示。
实施例2
本实施例的单层电极型IPMC结构与实施例1相同，制备工艺如下：
(1)以Dupont公司的Nafion-117膜为基体，将其裁剪成10mm×40mm的规格，再通过喷砂打磨上下表面各30s，注意基体与喷头距离10-20cm之间并且均匀打磨；
将打磨后的基体在含有20％乙醇的去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗机参数设置如下：60℃，30min；
将超声波清洗后的基体在0.2mol/L的HCl溶液中煮洗30min，温度设置为100℃；
将HCl溶液中煮洗过的基体膜在去离子水中煮洗30min，温度设置为100℃；
将煮洗后的基体取出，用滤纸吸去表面的水分，获得备用基体膜层；
(2)以VHB胶带为掩膜材料对基体膜层的一面和另一面无需镀覆电极的部分进行掩膜处理；
(3)以Pd为电极材料通过化学镀在基体膜层末掩膜的一面镀上Pd电极，具体操作为：
(31)量取18.884mg的Pd(NH3)4Cl2、7.692mL的去离子水、1.025mL的NH3H2O(质量分数为25％～28％，下同)配置成Pd离子溶液，将掩膜后的基体膜层在Pd离子溶液中浸泡2h以上，取出，去离子水冲洗2次；
(32)量取10.294mL去离子水、0.034mL的NH3H2O配置成镀液；将浸泡后的基体膜层浸入镀液中；将浸有基体膜层的镀液置入电热恒温水浴箱中，往镀液中滴入0.175mL的NaBH4溶液(0.85g/L，下同)，在30℃均匀震荡的环境中反应30min；第2次往镀液中滴入0.175mL的NaBH4溶液，在40℃均匀震荡的环境中反应30min；第3次往镀液中滴入0.175mL的NaBH4溶液，在50℃均匀震荡的环境中反应30min；反应结束后，在基体膜层的一面形成Pd电极，取出，去离子水冲洗2次；
再重复步骤(31)、(32)两次，初步得到IPMC；
(4)通过化学镀的方法在Pd电极上再镀上一层Pd电极，从而有效减小电极层的表面电阻，具体操作如下：
(41)将上述基体膜层在0.2mol/L的HCl溶液中浸泡1h，取出，去离子水冲洗两次；
(42)量取18.78mL去离子水、2.504mL的NH3H2O、0.225g的NaEDTA、11.526mg的Pd(NH3)4Cl2、0.070425g的PVP配置成镀液；将基体膜层浸入镀液中；将浸有IPMC的镀液置入电热恒温水浴箱中，往镀液中滴入0.016mL NH2NH2溶液(质量分数为2％，下同)，在40℃均匀震荡的环境中反应30min；每隔30min调高温度3℃，且滴加0.016mL NH2NH2，达到58℃反应结束后，取出，去离子水冲洗2次；
再重复步骤(42)一次进一步得到电极层更厚的IPMC；
(5)小心去除基体膜层两面的掩膜材料，通过掩膜镀覆有两片间隔设置的Pd电极的一面即为电极层，两片电极的间隔为0.3mm；取聚四氟乙烯膜，在其表面涂抹硅橡胶后覆盖于基体膜层的另一面，作为封装层，即完成两电极式单层电极型IPMC结构的制备。
实施例3
如图4所示，本实施例的单层电极型IPMC结构，是在基体膜层2的一面涂覆有封装层1，另一面设置有电极层3；电极层由三片间隔设置的片状电极构成。通过在三片电极上设置梯度电势，可使得IPMC产生更为复杂的多自由变形。具体制备工艺如下：
(1)以Dupont公司的Nafion-117膜为基体，将其裁剪成10mm×40mm的规格，再通过喷砂打磨上下表面各30s，注意基体与喷头距离10-20cm之间并且均匀打磨；
将打磨后的基体在含有20％乙醇的去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗机参数设置如下：60℃，30min；
将超声波清洗后的基体在0.2mol/L的HCl溶液中煮洗30min，温度设置为100℃；
将HCl溶液中煮洗过的基体膜在去离子水中煮洗30min，温度设置为100℃；
将煮洗后的基体取出，用滤纸吸去表面的水分，获得备用基体膜层；
(2)以Pd为电极材料通过化学镀在基体膜层末掩膜的一面镀上Pd电极，具体操作为：
(21)量取37.768mg的Pd(NH3)4Cl2、15.384mL的去离子水、2.41mL的NH3H2O(质量分数为25％～28％，下同)配置成Pd离子溶液，将掩膜后的基体膜层在Pd离子溶液中浸泡2h以上，取出，去离子水冲洗2次；
(22)量取20.588mL去离子水、0.068mL的NH3H2O配置成镀液；将浸泡后的基体膜层浸入镀液中；将浸有基体膜层的镀液置入电热恒温水浴箱中，往镀液中滴入0.35mL的NaBH4溶液(0.85g/L，下同)，在30℃均匀震荡的环境中反应30min；第2次往镀液中滴入0.35mL的NaBH4溶液，在40℃均匀震荡的环境中反应30min；第3次往镀液中滴入0.35mL的NaBH4溶液，在50℃均匀震荡的环境中反应30min；反应结束后，在基体膜层的一面形成Pd电极，取出，去离子水冲洗2次；
再重复步骤(21)、(22)两次，初步得到IPMC；
(3)通过化学镀的方法在Pd电极上再镀上一层Pd电极，从而有效减小电极层的表面电阻，具体操作如下：
(31)将上述基体膜层在0.2mol/L的HCl溶液中浸泡1h，取出，去离子水冲洗两次；
(32)量取37.56mL去离子水、5.008mL的NH3H2O、0.45g的NaEDTA、23.052mg的Pd(NH3)4Cl2、0.14085g的PVP配置成镀液；将基体膜层浸入镀液中；将浸有IPMC的镀液置入电热恒温水浴箱中，往镀液中滴入0.032mLNH2NH2溶液(质量分数为2％，下同)，在40℃均匀震荡的环境中反应30min；每隔30min调高温度3℃，且滴加0.032mLNH2NH2，达到58℃反应结束后，取出，去离子水冲洗2次；
再重复步骤(32)一次，进一步得到电极层更厚的IPMC；
(4)以基体膜层一面的Pd电极直接作为封装层；另一面先将边沿电极切除，再将整片式电极用小刀刮成3片间隔设置的片状电极，即完成三电极式单层电极型IPMC结构的制备。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单层电极型IPMC结构，其特征在于：是在基体膜层的一面涂覆有封装层，另一面设置有电极层；所述电极层由至少两片间隔设置的片状电极构成；所述基体膜层的材料为聚电解质聚合物；
当所述基体膜层内部为水合阳离子时：在向所述电极层通电前，所述基体膜层内部的水合阳离子及自由水分子均匀分布；在通过电路连接外加激励使不同电极之间形成电势差后，所述基体膜层内部的水合阳离子带动部分自由水分子由高电势处向低电势处定向迁移，高电势处的基体膜层沿着厚度方向位于上层的水合阳离子及自由水分子减少而产生向上弯曲的变形，低电势处增多而产生向下弯曲的变形，从而使得单层电极型IPMC结构整体产生S型变形；
当所述基体膜层内部为水合阴离子时：在向所述电极层通电前，所述基体膜层内部的水合阴离子及自由水分子均匀分布；在通过电路连接外加激励使不同电极之间形成电势差后，所述基体膜层内部的水合阴离子带动部分自由水分子由低电势处向高电势处定向迁移，低电势处的基体膜层沿着厚度方向位于上层的水合阳离子及自由水分子减少而产生向上弯曲的变形，高电势处增多而产生向下弯曲的变形，从而使得单层电极型IPMC结构整体产生S型变形；
2.如权利要求1所述的单层电极型IPMC结构，其特征在于：每片电极的长度和宽度均不超过10cm，相邻电极的间隙不超过1cm。
3.如权利要求1所述的单层电极型IPMC结构，其特征在于：所述电极材料为Au、Ag、Pt、Pd、Cu、Ni和石墨烯/碳纳米管中的至少一种。
4.如权利要求1所述的单层电极型IPMC结构，其特征在于：所述基体膜层选自Dupont公司的Nafion系列离子交换膜、Asahi Chemical公司的Aciplex系列离子交换膜、AsahiGlass公司的Flemion系列离子交换膜或Solvay Solexis公司的Aquivion系列离子交换膜。
5.如权利要求1所述的单层电极型IPMC结构，其特征在于：所述封装层的材料为金属、聚四氟乙烯和硅橡胶中的至少一种。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述单层电极型IPMC结构的制备工艺，其特征在于：
首先将基体裁剪成所需形状，打磨上下表面、清洗，形成备用基体膜层；然后用掩膜材料对基体膜层的一个面进行掩盖后，再将电极材料镀覆到基体膜层的另一面，通过激光切割或刻蚀，将整片式电极按需要分成至少两片间隔设置的片状电极，形成电极层；最后去除掩膜材料并在未镀电极层的一面涂覆封装材料，形成封装层，即获得单层电极型IPMC结构；
或者：首先将基体裁剪成所需形状，打磨上下表面、清洗，形成备用基体膜层；然后用掩膜材料对基体膜层的一个面和另一面无需镀覆电极的区域进行掩盖后，再将电极材料镀覆到基体膜层的裸露部分，形成电极层；最后去除掩膜材料并在未镀电极层的一面涂覆封装材料，形成封装层，即获得单层电极型IPMC结构；
或者：首先将基体裁剪成所需形状，打磨上下表面、清洗，形成备用基体膜层；然后在基体膜层的两个面镀覆整片式电极；其中一面作为封装层；另一面通过激光切割或刻蚀，按需要分成至少两片间隔设置的片状电极，形成电极层，即获得单层电极型IPMC结构。
7.如权利要求6所述的制备工艺，其特征在于：所述掩膜材料为聚丙烯酸酯双面泡绵胶带、硅胶、光敏树脂或AgCl沉淀层。
8.如权利要求6所述的制备工艺，其特征在于：所述激光切割或刻蚀的深度比电极层厚度大1-10微米。
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