CN106863335A - 一种离子共聚物‑无机复合电驱动双指抓取器及其制备方法 - Google Patents

一种离子共聚物‑无机复合电驱动双指抓取器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离子共聚物‑无机复合电驱动双指抓取器及其制备方法，包括多元离子共聚物乳液制备、离子共聚物‑无机复合电驱动活性材料制备、双指柔性抓取器的制备；离子共聚物‑无机复合电驱动活性材料标准样品的制备是在常温常压环境下将离子共聚物乳液和无机导电填料混合液缓慢浇注于平底凹槽玻璃模具内得到；其制备原料常见易得、制备工艺环保、简便，所制产品具有驱动电压低、抓取能力强、响应速度快、制备成本低、应用领域广等特点。

Description

一种离子共聚物-无机复合电驱动双指抓取器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电驱动智能材料器件设计制备技术领域，尤其涉及的是一种离子共聚物-无机复合电驱动双指抓取器及其制备方法。
背景技术
仿生电驱动活性材料(Bionic electric driving active materials,简称BEDAM)是根据仿生学原理模拟生物体组织细胞在生命活动过程中通过电位、极性的变化传递电信号实现基体组织神经传导、肌肉收缩等生命活动的智能材料，其能够在低压直流电场作用下实现类似生物体组织收缩、膨胀、弯曲等复杂形态变化，并广泛应用于人工器官、医疗器械、智能衣物、触摸传感器、仿生机器人等诸多领域。目前，BEDAM的基体材料主要选用离子型电致动聚合物(简称IEAP)，然后通过表面电极制备实现BEDAM组装。
IEAP是一类含有定量水分子和阴阳离子的高分子材料，具有质轻、柔性、工作电压低、形变性能好、生物相容性好、安全性高等诸多优势，其所含离子存在状态为金属阳离子能够以水合离子形式在高分子缝隙间自由移动，非金属阴离子刚性连接在高分子链上不可移动；当在IEAP上下表面覆盖电极层并施加直流电压后，IEAP基体内的水合阳离子在直流电场作用下定向移动到负极侧，与高分子链刚性连接的非金属阴离子尽管同样受到直流电场作用却难以向正极侧移动，这一差异使离子迁移过程产生失衡，大量水合阳离子集中在IEAP负极侧使其快速膨胀，IEAP正极侧因失去水合阳离子不断收缩，IEAP整体向正极侧弯曲形变；当改变直流电压方向，水合阳离子反方向移动，IEAP整体向反方向弯曲形变。
利用IEAP电驱动形变特性进行合理设计组装可得到一套完整的BEDAM双指柔性抓取器设备系统，该系统可应用于仿生机器人、智能柔性抓取器等领域，实现无人无机械条件下的智能抓取功能，主要解决不适宜人工和机械工作等极端环境下的样品采集需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过合理设计、精密组装提供一种离子共聚物-无机复合电驱动双指抓取器及其制备方法。
为实现上述目标，本发明的技术方案为：
一种离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器的制备方法，包括多元离子共聚物乳液制备、离子共聚物-无机复合电驱动活性材料制备、双指柔性抓取器的制备；多元离子共聚物乳液由四种组分组成，分别为：刚性结构单元组分、柔性结构单元组分、离子交换功能单元组分和缓冲增强功能单元组分；多元离子共聚物纳米乳液制备方法为：采用半连续乳液聚合工艺，首先对反应单体采取减压蒸馏处理去除阻聚剂并低温储存备用；提前配制质量分数为1-4％的过硫酸钾水溶液；按照工艺配方依次将磁子、乳化剂十二烷基硫酸钠、离子交换功能单元组分、缓冲增强功能单元组分、去离子水加入圆底烧瓶内，将刚性结构单元组分、柔性结构单元组分混合于恒压滴液漏斗中备用，向圆底烧瓶内充氮气15-60min确保无氧环境，同步打开恒温磁力搅拌器，温度设定45-70℃，转速设定300r/min；转速稳定后，将二分之一混合组分向圆底烧瓶中滴加，滴加速度1-3d/s，并开始计时，乳化0.5-1.5小时后，迅速升温至65-95℃；达到预设温度后，向圆底烧瓶中加入30-60％的引发剂水溶液，待无混合组分回流时，向圆底烧瓶中滴加剩余混合组分，滴加速度0.2-2d/s，并分1-3次加入剩余引发剂水溶液；混合组分滴加完毕后，保温反应0.5-3小时，室温冷却至45-55℃时过滤反应产物得到白色聚合物纳米乳液，最终降至室温密封保存；离子共聚物-无机复合电驱动活性材料标准样品制备方法为：常温常压环境下按比例将多元离子共聚物乳液和无机导电填料混合(电极层厚度控制范围0.05-0.2μm)，混合液缓慢浇注于平底凹槽玻璃模具内，常温常压下晾干揭下，按照标准样品尺寸裁剪备用，将2个标准样品膜进行粘合，聚合物层为内侧，电极层为外侧，以多元离子共聚物乳液为粘合剂，可得到标准样品；离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器为：在两个夹持座安装左右两个电极触点、将电极触点与导线连接，分别将2个标准样品置于两个夹持座夹口处，使用铁架台将夹持座固定，最终将双指柔性抓取器、可调直流稳压电源、C31-VA直流伏安表用导线连接即可得到一套完整的离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备。
所述的制备方法，无机导电填料通常可选用碳纤维、碳纳米管、石墨烯及其改性产品等，也可混合使用。
所述的制备方法，刚性结构单元组分选用甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯及其衍生物和丙烯腈等单体，约占总单体的20-60mol％；柔性结构单元组分选用长链乙烯醚、丙烯酸酯类和对苯烷基乙烯基醚等单体，约占总单体的20-70mol％；离子交换功能单元组分通常含有碱金属阳离子、非金属阴离子以及不饱和双键等结构，属于同时包含有机、无机两相的表面活性物质，可选用烯烃基磺酸盐或苯乙烯磺酸盐等高电离度的有机磺酸盐，约占总单体量的5-40mol％；缓冲增强功能单元组分主要发挥有机、无机两相增容作用和吸水锁水能力分别提升材料力学性能和离子交换性能，通常选用结构与离子交换功能单元组分类似，低电离度的有机羧酸盐，该组分一方面自身存在电离水解平衡，能够最大限度锁住水分子提高离子传导能力，同时自身也具有离子传导能力，另一方面就整体而言其有机相比重更大，在离子聚合物体系内能够对有机磺酸盐结构起到过渡缓冲作用，缓冲增强功能单元组分可选用单体有丙烯酸及其衍生酸类、丙烯酸盐类及其衍生物羧酸盐类单体，约占总单体量的10-40mol％；同一工艺配方中，以上各单体用量之和为100％。
任一所述的制备方法获得的离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器，在2-4v直流电压作用，可在2-5秒内将目标物抓起，最大抓取宽度3cm，最大抓取质量5g，连续抓取次数>10次。如图1所示；离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备系统的设计组装工艺为：对2支试管夹安装电极触点、连接导线以及捆绑固定实现双指柔性抓取器的固定底座组装，分别将2个标准样品置于2支试管夹夹口处，使用铁架台将固定底座夹持住，最终将双指柔性抓取器、可调直流稳压电源、C31-VA直流伏安表用导线连接即可得到一套完整的离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备系统，如图2所示。本发明与现有柔性抓取器相比，具有抓取速度快，连续抓取次数高等优势。
附图说明
图1为离子共聚物-无机复合电驱动活性材料标准样品制备工艺图；
图2为离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器示意图。
1导线，2电极触点，3固定部，4电驱动材料，5抓取动作示意，6夹持座。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)实验准备工作：将刚性结构单元组分甲基丙烯酸甲酯、柔性结构单元组分丙烯酸正丁酯进行减压蒸馏提纯，分别量取20ml甲基丙烯酸甲酯和20ml丙烯酸正丁酯于恒压滴液漏斗内混合备用；室温配制质量分数为1％的过硫酸钾水溶液(引发剂)备用；
(2)甲基丙烯酸甲酯－丙烯酸正丁酯—丙烯酸钠－丙烯磺酸钠四元离子共聚物纳米乳液聚合：安装实验反应装置，分别取1.2g十二烷基苯磺酸钠、12ml丙烯酸钠、4g丙烯磺酸钠、50ml去离子水依次加入到圆底烧瓶内(250ml)，打开恒温磁力搅拌器，温度设定48℃，转速设为300r/min，同步向圆底烧瓶内充入氮气30min确保无氧环境；待转速稳定后，缓慢滴加二分之一事先装入恒压滴液漏斗内的混合单体，滴加速度2d/s，预乳化20min，快速升温至72℃，加入40％事先备好的引发剂水溶液；待圆底烧瓶内壁无单体回流时继续滴加剩余混合单体，滴加速度1d/s，并分3次加入剩余引发剂水溶液；待混合单体全部加入后，保温反应1.5小时，自然降温至45℃过滤即得到四元离子共聚物纳米乳液，室温密封保存。
实施例2
(1)实验准备工作：将苯乙烯、丙烯酸正丁酯进行减压蒸馏提纯，分别量取20ml苯乙烯和20ml丙烯酸正丁酯于恒压滴液漏斗内混合备用；室温配制质量分数为2％的过硫酸钾水溶液(引发剂)备用；
(2)苯乙烯－丙烯酸正丁酯—丙烯酸钠－丙烯磺酸钠四元离子共聚物纳米乳液聚合：同实施例1第(2)步。
实施例3
(1)实验准备工作：同实施例1第(1)步；
(2)甲基丙烯酸甲酯－丙烯酸正丁酯—丙烯酸钠－丙烯磺酸钠四元离子共聚物纳米乳液聚合：同实施例1第(2)步。
实施例4
(1)多元离子共聚物乳液制备参照实施例1-3；
(2)离子共聚物-无机复合电驱动活性材料标准样品制备：常温常压环境下，量取10ml共聚物乳液，称取4g碳纤维，二者均匀混合，超声15min可得混合乳液；向水平桌面上的平底凹槽玻璃模具内缓慢浇注，常温常压下自然放置72小时晾干揭下，按照标准样品尺寸6cm×1cm裁剪备用；以共聚物乳液为粘合剂，将2个标准样品膜按照聚合物层为内侧、电极层为外侧进行粘合可得到标准样品；
(3)离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备系统的设计组装：对2支试管夹安装电极触点、连接导线以及捆绑固定完成双指柔性抓取器的固定底座组装；分别将2个标准样品置于2支试管夹夹口处，使用铁架台将固定底座夹持住；将双指柔性抓取器、可调直流稳压电源、C31-VA直流伏安表按照设计电路用导线连接，完成离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备系统的组装；
(4)离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器抓取测试：打开直流稳压电源并调节电压值为2V，将抓取器移动至目标物体(块状固体，宽度2cm，质量3g)上方，接通电路，抓取器可在4秒内将目标物抓起；将抓取器移动至目标位置，保持电压值不变，改变电压方向，接通电路，抓取器可在2秒内将目标物释放；连续抓取次数>10次。
实施例5
(1)多元离子共聚物乳液制备参照实施例1-3；
(2)离子共聚物-无机复合电驱动活性材料标准样品制备：常温常压环境下，量取10ml共聚物乳液，称取5g石墨烯，二者均匀混合，超声20min可得混合乳液；向水平桌面上的平底凹槽玻璃模具内缓慢浇注，常温常压下自然放置72小时晾干揭下，按照标准样品尺寸6cm×1cm裁剪备用；以共聚物乳液为粘合剂，将2个标准样品膜按照聚合物层为内侧、电极层为外侧进行粘合可得到标准样品；
(3)离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备系统的设计组装：同实施例4第(3)步；
(4)离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器抓取测试：打开直流稳压电源并调节电压值为4V，将抓取器移动至目标物体(块状固体，宽度1.5cm，质量4g)上方，接通电路，抓取器可在2秒内将目标物抓起；将抓取器移动至目标位置，保持电压值不变，改变电压方向，接通电路，抓取器可在2秒内将目标物释放；连续抓取次数>10次。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器的制备方法，其特征在于，包括多元离子共聚物乳液制备、离子共聚物-无机复合电驱动活性材料制备、双指柔性抓取器的制备；多元离子共聚物乳液由四种组分组成，分别为：刚性结构单元组分、柔性结构单元组分、离子交换功能单元组分和缓冲增强功能单元组分；多元离子共聚物纳米乳液制备方法为：采用半连续乳液聚合工艺，首先对反应单体采取减压蒸馏处理去除阻聚剂并低温储存备用；提前配制质量分数为1-4％的过硫酸钾水溶液；按照工艺配方依次将磁子、乳化剂十二烷基硫酸钠、离子交换功能单元组分、缓冲增强功能单元组分、去离子水加入圆底烧瓶内，将刚性结构单元组分、柔性结构单元组分混合于恒压滴液漏斗中备用，向圆底烧瓶内充氮气15-60min确保无氧环境，同步打开恒温磁力搅拌器，温度设定45-70℃，转速设定300r/min；转速稳定后，将二分之一混合组分向圆底烧瓶中滴加，滴加速度1-3d/s，并开始计时，乳化0.5-1.5小时后，迅速升温至65-95℃；达到预设温度后，向圆底烧瓶中加入30-60％的引发剂水溶液，待无混合组分回流时，向圆底烧瓶中滴加剩余混合组分，滴加速度0.2-2d/s，并分1-3次加入剩余引发剂水溶液；混合组分滴加完毕后，保温反应0.5-3小时，室温冷却至45-55℃时过滤反应产物得到白色聚合物纳米乳液，最终降至室温密封保存；离子共聚物-无机复合电驱动活性材料标准样品制备方法为：常温常压环境下按比例将多元离子共聚物乳液和无机导电填料混合(电极层厚度控制范围0.05-0.2μm)，混合液缓慢浇注于平底凹槽玻璃模具内，常温常压下晾干揭下，按照标准样品尺寸裁剪备用，将2个标准样品膜进行粘合，聚合物层为内侧，电极层为外侧，以多元离子共聚物乳液为粘合剂，可得到标准样品；离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器为：在两个夹持座安装左右两个电极触点、将电极触点与导线连接，分别将2个标准样品置于两个夹持座夹口处，使用铁架台将夹持座固定，最终将双指柔性抓取器、可调直流稳压电源、C31-VA直流伏安表用导线连接即可得到一套完整的离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器设备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，无机导电填料通常可选用碳纤维、碳纳米管、石墨烯及其改性产品等，也可混合使用。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，刚性结构单元组分选用甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯及其衍生物和丙烯腈等单体，约占总单体的20-60mol％；柔性结构单元组分选用长链乙烯醚、丙烯酸酯类和对苯烷基乙烯基醚等单体，约占总单体的20-70mol％；离子交换功能单元组分通常含有碱金属阳离子、非金属阴离子以及不饱和双键等结构，属于同时包含有机、无机两相的表面活性物质，可选用烯烃基磺酸盐或苯乙烯磺酸盐等高电离度的有机磺酸盐，约占总单体量的5-40mol％；缓冲增强功能单元组分主要发挥有机、无机两相增容作用和吸水锁水能力分别提升材料力学性能和离子交换性能，通常选用结构与离子交换功能单元组分类似，低电离度的有机羧酸盐，该组分一方面自身存在电离水解平衡，能够最大限度锁住水分子提高离子传导能力，同时自身也具有离子传导能力，另一方面就整体而言其有机相比重更大，在离子聚合物体系内能够对有机磺酸盐结构起到过渡缓冲作用，缓冲增强功能单元组分可选用单体有丙烯酸及其衍生酸类、丙烯酸盐类及其衍生物羧酸盐类单体，约占总单体量的10-40mol％；同一工艺配方中，以上各单体用量之和为100％。
4.根据权利要求1-3任一所述的制备方法获得的离子共聚物-无机复合电驱动双指柔性抓取器，在2-4v直流电压作用，可在2-5秒内将目标物抓起，最大抓取宽度3cm，最大抓取质量5g，连续抓取次数>10次。
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