CN109371387B - 一种ipmc致动器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种IPMC致动器的制备方法,属于功能材料技术领域,方法上采用化学镀铂再电镀铜的制备方法,电镀采用的焦磷酸铜电镀工艺;为防止铜电极在空气中易氧化,导致镀层脱落,采用丁基橡胶和聚二甲基硅氧烷对该Cu‑Pt型IPMC进行封装;封装后,制得IPMC致动器。该方法操作简单,制备的IPMC致动器具有稳定、可控、重复性好的致动性能,能满足实际应用要求,非水工作时间延长,置于空气中22天,仍具有稳定的输出响应,有较大的应用价值。

Description

一种IPMC致动器的制备方法
技术领域:
本发明属于功能材料技术领域,具体涉及一种IPMC致动器的制备方法。
背景技术:
IPMC(ionic polymer-metal composites),全称离子聚合物金属复合材料,是一种离子型的EAP(Electro Active Polymer)材料,它具有致动性能好、无噪音、密度低、驱动电压低、韧性好等优点。IPMC是由基底膜和两侧的金属镀层构成的一种“三明治”材料,由于施加电信号能使其弯曲,致动机理与肌肉相似,因此又被称为“人工肌肉”。与普通的驱动器相比,用IPMC制成的致动器无需轴承、齿轮等传动机构,提高能量转换率,使许多科学幻想有望变成现实。
传统的IPMC主要用Pt、Au等贵金属经多次化学镀而制成,这种制备方法不仅成本高、生产周期长,而且在非水环境下工作时,膜内的水易被电解,使其致动性能不稳定。近年来Pt-Ni复合电极等类型的IPMC被广泛研究,虽然复合电极的IPMC有较好的致动性能且节约生产成本,但电极在空气中易氧化,极大限制该类型的广泛应用。
发明内容:
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足,提供一种IPMC致动器的制备方法,具体为Pt-Cu型IPMC致动器,针对其在空气中易氧化、膜内的水易被电解的问题,采用丁基橡胶和聚二甲基硅氧烷进行封装,最后,使Cu镀层维持22天以上,输出响应稳定,非水工作时间也得到延长。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种IPMC致动器的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,化学镀铂:
(1)将Nafion117膜依次经打磨、清洗与煮沸后,形成预处理后基膜;
(2)将预处理后基膜浸泡在二氯四氨合铂Pt(NH3)4]Cl2溶液中,进行离子吸附,形成浸泡基膜,其中,所述的浸泡时间为20~28h;
(3)采用去离子水清洗浸泡基膜后,将其放入烧杯中,加入去离子水,将烧杯至于调温水域中,向烧杯中分批次加入硼氢化钠(NaBH4)溶液,每次加入硼氢化钠(NaBH4)溶液后,均不断搅拌溶液至无气泡产生且烧杯内溶液不再变黑后,再加入下批次的硼氢化钠溶液,直至硼氢化钠溶液全部加入后,溶液不再变黑,形成镀铂基膜,取出镀铂基膜,采用去离子冲洗后,置于去离子水中保存待用;
步骤2,电镀铜:
(1)将镀铂基膜干燥后,置于1~2mol/L的硫酸铜溶液中浸泡10~15h;
所述的步骤2(1)中,镀铂基膜干燥方式为真空干燥,干燥时间为4~5h。
(2)电镀液配制:
取去离子水,向去离子水中加入焦硫酸钾和焦硫酸铜,搅拌形成均匀溶液后,调节均匀溶液PH值为6.6~6.8,形成电镀液,所述的电镀液中焦硫酸铜浓度为55~65g/L,焦磷酸钾浓度为295~305g/L;
(3)电镀铜:
将浸泡后镀铂基膜裁剪后固定,采用电镀液进行镀铜处理,形成镀铜后基膜,进行封装,制得IPMC致动器,其中,所述的电镀时间为90~150s,电镀温度为40~45℃。
所述的步骤1(1)中,打磨、清洗与煮沸具体过程为:采用1200#的砂纸打磨Nafion117膜;之后超声清洗10min,再用2mol/L的稀盐酸和去离子水各煮沸30min;
所述的步骤1(3)中,烧杯中加入的去离子水量以使浸泡基膜完全浸泡于去离子水中为准。
所述的步骤1(3)中,硼氢化钠溶液质量分数为5%。
所述的步骤1(3)中,硼氢化钠溶液相邻两批次加入时间间隔为20~40min。
所述的步骤1(3)中,硼氢化钠溶液分多次加,以使Pt2+被更充分还原,每次刚加硼氢化钠溶液的时候,由于发生氧化还原反应,溶液会变成灰黑色,待溶液中的硼氢化钠或者铂离子被完全消耗后,溶液恢复透明状态,防止未被充分还原处表面会有铂的氧化物形成的黑色印记,对制成的IPMC的致动性能有显著的恶化作用。
所述的步骤1(3)中,调温水域初始温度为30~40℃,在批次加入硼氢化钠(NaBH4)溶液至溶液最后不再变黑的过程中,将调温水域温度由30~40℃匀速升至62℃,以使Pt2+还原充分及提高反应速度。
所述的步骤1(3)中,硼氢化钠NaBH4溶液批次加入总量以使还原后基膜表面附带的Pt2+完全去除为准。
所述的步骤1(3)中,硼氢化钠溶液按批次全部加入后,溶液不再变黑,呈透明状,再次加入硼氢化钠溶液,并在62℃搅拌1.5~2h,验证Pt2+是否被反应完全,以使Pt2+还原更彻底,形成镀铂基膜。
所述的步骤2(2)中,均匀溶液颜色为均匀的蓝色。
所述的步骤2(2)中,采用柠檬酸三铵和氨水调节均匀溶液PH值。
所述的步骤2(2),搅拌过程中,同时加热溶液,使其在20min内由室温匀速升温至40~45℃;
所述的步骤2(3)中,封装具体过程为:将镀铜后基膜浸没于丁基橡胶中,20~40s后取出,置于两片载玻片之间,使试样平整后,将镀铜后基膜浸没于聚二甲基硅氧烷中1~3min,以延缓膜内的水的电解速度,完成封装。
所述的步骤2(3)中,制备的IPMC致动器经测试,在1~3V,π/5Hz的正弦电压下的最大位移达到3.6~10.3mm,在空气中连续测试230s仍有良好的致动性能,其输出响应重复性好,易于控制。
本发明的有益效果:
本发明IPMC的制备方法将周期缩短了20%,降低了生产成本。并且采用丁基橡胶和聚二甲基硅氧烷对镀铜基膜进行封装,延缓了Cu镀层的氧化,减少膜内的水分子丢失速率,非水工作时间提高60%左右,有较大的应用价值。
附图说明:
图1为实施例1形成的镀铜基膜的表面扫描图像;
图2为实施例1形成的镀铜基膜的截面扫描图像;
图3为实施例1制备的IPMC致动器在1V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果,其最大位移为3.6mm;
图4为实施例1制备的IPMC致动器在2V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果,其最大位移为6.0mm;
图5为实施例1制备的IPMC致动器置于空气中3天后,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果,其最大位移为9.3mm;
图6为实施例1制备的IPMC致动器置于空气中7天后,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果,其最大位移为9.6mm;
图7为实施例1制备的IPMC致动器置于空气中15天后,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果,其最大位移为10.2mm;
图8为实施例1制备的IPMC致动器置于空气中22天后,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果,其最大位移为10.3mm。
具体实施方式:
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
实施例中采用的扫描设备为EPMA,型号为JXA-8530F。
封装用的丁基橡胶来自市购,并按分子量为2000和5000的1:2的比例配制。
一种IPMC致动器的制备方法,包括如下步骤:
(1)化学镀铂
取Nafion117膜,厚度为0.2μm,首先用1200#的砂纸打磨Nafion117膜至0.17μm厚;之后用超声波清洗10min,再用2mol/L的稀盐酸和去离子水各煮沸30min;
离子吸附采用的是二氯四氨合铂(化学式:[Pt(NH3)4]Cl2)溶液,将预处理后的基膜浸泡在含有该溶液的烧杯中24h,形成浸泡基膜,尺寸为5cm×6cm,浸泡基膜中Pt2+含量为3mg/cm3
Nafion117膜浸泡完成后,向溶液中滴加质量分数5%的氨水,以调节pH值,最后将溶液静置在室温下8h;用去离子水清洗Nafion117膜,之后将其放入烧杯,加入适量去离子水,将烧杯置于初始温度为30℃的调温水域中,并向烧杯中加入6mL质量分数为5%的硼氢化钠(NaBH4)溶液,搅拌,溶液会变黑,待烧杯中的溶液不产生气泡且不再变黑时,再加第二批次硼氢化钠溶液6ml,若溶液中存在Pt2+,加入硼氢化钠溶液会使其变黑,硼氢化钠溶液每次加入间隔30min,加7次后溶液不再变黑,说明反应完全,在这个过程中,将溶液温度由30℃匀速升至62℃,最后,再次添加25mL的NaBH4溶液,在62℃下搅拌1.5h,此时溶液已不再变黑,呈透明状,表示溶液中Pt2+完全去除,再用去离子水冲洗膜表面,形成镀铂基膜,将镀铂基膜置于去离子水中保存;
(2)电镀铜
先将镀铂基膜置于真空干燥箱中5h,再用2mol/L的硫酸铜溶液浸泡12h;镀液经室温20min内匀速加热至43℃,加热速度不应过快,防止溶液局部过热,使焦磷酸钾水解;将焦磷酸铜倒入溶液中,定容并不断搅拌,直至烧杯中溶液呈均匀的蓝色;配制得电镀液,电镀液中焦硫酸铜浓度为60g/L,焦磷酸钾浓度为300g/L,最后用适量柠檬酸三铵和氨水调节镀液pH值至6.6~6.8;电镀开始前,将镀铂基膜裁剪成1cm×3.5cm的小片,用铜夹子固定;电镀时,控制搅拌速度和电镀时间,仔细观察膜表面的变化,尽量使镀层均匀,电镀120s后,完成电镀铜,形成镀铜基膜,该镀铜基膜表面扫描图像如图1所示,截面扫描图像如图2所示;
(3)封装
用镊子夹持镀铜基膜,浸没于丁基橡胶中,30s后取出,将镀铜基膜置于两片载玻片之间,使试样平整,载玻片两端用夹子夹住;测试致动性能之前,将镀铜基膜浸末于聚二甲基硅氧烷中1min,以延缓膜内的水的电解速度,制得IPMC致动器,经测试,该IPMC致动器在1V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图3所示,在2V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图4所示,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图5所示,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图6所示,置于空气中15天后,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图7所示,置于空气中22天后,在3V,π/5Hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图8所示,1V,5/πHz的正弦电压下的最大位移为3.6mm,3V,5/πHz的正弦电压下的最大位移为10.3mm;由此可见,本发明制备的致动性能稳定,具有重复性好,易于控制等优点。

Claims (4)

1.一种IPMC致动器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,化学镀铂:
(1)将Nafion117膜依次经打磨、清洗与煮沸后,形成预处理后基膜;
(2)将预处理后基膜浸泡在二氯四氨合铂溶液中,进行离子吸附,形成浸泡基膜,其中,所述的浸泡时间为20~28h;
(3)采用去离子水清洗浸泡基膜后,将其放入烧杯中,加入去离子水,将烧杯置于调温水域中,向烧杯中分批次加入硼氢化钠溶液,每次加入硼氢化钠溶液后,均不断搅拌溶液至无气泡产生且烧杯内溶液不再变黑后,再加入下批次的硼氢化钠溶液,直至硼氢化钠溶液全部加入后,溶液不再变黑,形成镀铂基膜,取出镀铂基膜,采用去离子冲洗后,置于去离子水中保存待用;
步骤2,电镀铜:
(1)将镀铂基膜干燥后,置于1~2mol/L的硫酸铜溶液中浸泡10~15h,其中,所述的干燥方式为真空干燥,干燥时间为4~5h;
(2)电镀液配制:
取去离子水,向去离子水中加入焦硫酸钾和焦硫酸铜,搅拌形成溶液,并在搅拌过程中,同时加热溶液,使其在20min内由室温匀速升温至40~45℃,完成搅拌至形成均匀溶液后,调节均匀溶液PH值为6.6~6.8,形成电镀液,所述的电镀液中焦硫酸铜浓度为55~65g/L,焦磷酸钾浓度为295~305g/L;
(3)电镀铜:
将浸泡后镀铂基膜裁剪后固定,采用电镀液进行镀铜处理,形成镀铜后基膜,进行封装,制得IPMC致动器,其中,所述的电镀时间为90~150s,电镀温度为40~45℃,封装具体过程为:将镀铜后基膜浸没于丁基橡胶中,20~40s后取出,置于两片载玻片之间,使试样平整后,浸没于聚二甲基硅氧烷中1~3min,以延缓膜内的水的电解速度,完成封装。
2.根据权利要求1所述的IPMC致动器的制备方法,其特征在于,所述的步骤1(1)中,打磨、清洗与煮沸具体过程为:采用1200#的砂纸打磨Nafion117膜;之后超声清洗10min,再用2mol/L的稀盐酸和去离子水各煮沸30min。
3.根据权利要求1所述的IPMC致动器的制备方法,其特征在于,所述的步骤1(3)中,调温水域初始温度为30~40℃,在批次加入硼氢化钠(NaBH4)溶液至溶液不再变黑的过程中,将调温水域温度由30~40℃匀速升至62℃。
4.根据权利要求1所述的IPMC致动器的制备方法,其特征在于,所述的步骤2(3) 中,制备的IPMC致动器经测试,在1~3V,π/5Hz的正弦电压下的最大位移达到3.6~10.3mm。
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