CN109881188A - 一种电控型人工肌肉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控型人工肌肉的制备方法，包括如下步骤：1)前处理过程；2)制备金属电极过程；3)离子交换过程。本发明所提供的电控型人工肌肉的制备方法，利用多次化学镀的方法，在Nafion薄膜表面制备均匀且致密的铂电极，其人工肌肉的性能优异，在8V电压下Nafion人工肌肉尖端的最大位移量为8.5mm。

Description

一种电控型人工肌肉的制备方法

技术领域

本发明涉及新型智能材料技术领域，具体涉及一种电控型人工肌肉的制备方法。

背景技术

人工肌肉是一种具有驱动性能的新型材料。目前研究较为成熟的有气动型人工肌肉和液压型人工肌肉，这两种人工肌肉虽然可以提供足够的驱动力，但它们均需要体积较大的负载，如气泵、液泵等，且响应速度较慢，这极大影响了人工肌肉在质量轻便、响应快捷方面的需求，限制了人工肌肉的实际应用。

近十余年来，一系列以聚合物材料为基础的智能材料的诞生，为人工肌肉的研究提供了新的发展契机。其中，电活性聚合物作为智能材料的一种，可以在电刺激下呈现各种复杂的形变，例如，弯曲、延伸、扭动、收缩等，并且它们具有较好的生物相容性，非常接近真正的肌肉纤维，因此在人工肌肉领域有较大的应用前景。

在众多的电活性聚合物材料中，离子聚合物-金属复合物在较低的驱动电压下即能产生较大的形变和位移，而且其能量密度高、质量轻便、容易加工剪裁，因此非常适用于人工肌肉的开发。全氟磺酸(Nafion)离子交换膜是一类典型的电活性离子聚合物，当对Nafion膜施加电压时，膜内的阳离子会向阴极移动，同时带动水分子向阴极移动，使阴极溶胀且阳极缩水，薄膜产生向阳极弯曲的变形。

但是，目前基于Nafion膜的人工肌肉材料还存在较多缺点，如金属电极与离子交换膜接触较差、工作时间较短等，这严重阻碍了Nafion人工肌肉的应用发展。为了提高Nafion人工肌肉的性能，本发明采用醇辅助化学镀的方法，制备了具有致密金属电极且工作时间较长的Nafion人工肌肉。

发明内容

本发明的研究目的在于克服Nafion人工肌肉金属电极与Nafion膜接触较差、工作时间较短的不足，而提供一种电控型人工肌肉的制备方法，本发明选择稳定性较高的金属铂为电极，制备一种高性能电驱动的人工肌肉，并研究其在人工制动器中的应用。

一种电控型人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：

一、前处理过程

选用杜邦公司生产的Nafion 117薄膜(厚度约为190μm)，将其裁剪成长30mm，宽30mm的正方形小片，将Nafion膜浸泡在5wt％的过氧化氢水溶液中4h，然后取出，将Nafion膜在去离子水中煮沸1h；将薄膜取出后浸泡在5wt％的硫酸溶液中4h，然后在去离子水中煮沸1h，经过前处理后，Nafion膜充分地吸水溶胀，呈现柔软的透明状；

二、制备金属电极过程

采用纯辅助化学镀的方法，在Nafion膜表面通过多次化学镀，制备均匀、致密的铂电极；

1)将已进行前处理的Nafion膜浸泡在0.5wt％的四氨合氯化铂水溶液中24h，使Nafion膜吸附大量的铂氨离子；

2)将Nafion膜浸泡在异丙醇和水的混合溶液中，其中异丙醇和水的体积比为1:3，浸泡足够时间使Nafion膜充分地吸水溶胀；

3)Nafion膜充分溶胀后，将异丙醇/水混合溶液升温至40℃，在剧烈搅拌下，每隔30min滴加5mL 5wt％的硼氢化钠水溶液作为还原剂，共滴加10次，加入还原剂后，Nafion膜表面的铂氨离子会被还原成铂纳米颗粒，少量多次的还原方法可以使Nafion膜表面的金属铂更加均匀、致密；

4)将上述步骤1)、2)和3)重复2次，在Nafion膜表面形成均匀、致密的铂电极；

三、离子交换过程

将Nafion薄膜置于80℃的真空干燥箱中进行干燥，除去膜内的水分子；然后将Nafion膜浸泡在去离子水中充分吸水溶胀，最后将Nafion膜浸泡在饱和的氯化锂水溶液中24h，进行充分的锂离子交换，使Nafion离子交换膜内充分置换入正一价的锂离子；

本发明所制备的电控型人工肌肉，是以Nafion离子交换膜为基体，通过醇辅助化学镀的方法在Nafion膜表面制备均匀、致密的铂电极，并最终通过充分的离子交换使Nafion膜内置换入阳离子；本发明所制备的Nafion人工肌肉，在几伏的电压下，即能产生较大的形变和位移，能够输出较大的力，该Nafion人工肌肉在机器人驱动器、传感器、人造肌肉假肢等领域有着广阔的应用前景和应用价值。

本发明的工作原理：

本发明所制备的一种电控型人工肌肉能够在较低的电压下产生较大的弯曲形变，经过充分离子交换后的Nafion膜内含有大量的正一价的锂离子，当对Nafion膜的两侧施加几伏的电压后，Nafion膜内的阳离子Li⁺会向阴极一侧移动，同时带动膜内的水分子向阴极一侧迁移，最终使Nafion膜的阴极吸水膨胀，阳极失水收缩，导致整个Nafion膜向阳极一侧弯曲，同时产生一定的驱动力。

本发明的有益效果：

本发明提供的电控型人工肌肉材料，以商业化的Nafion离子交换膜为基底，通过醇辅助化学镀的方法，在Nafion膜表面制备了均匀、致密的铂电极，与传统的电镀方法相比，本发明提供的方法在保证金属电极导电性能的同时，大大降低了制备金属电极的成本，与银电极相比，本发明所提供的铂电极具有更好的稳定性，大大延长了电控型人工肌肉的工作时间。

附图说明

图1是本发明Nafion人工肌肉工作原理图。

图2是本发明Nafion人工肌肉在0.1Hz频率的不同施加电压下，尖端位移随时间的变化曲线。

图3是本发明Nafion人工肌肉最大位移随电压的变化曲线。

具体实施方式

一种电控型人工肌肉的制备方法，实验所需材料包括：

Nafion 117薄膜(杜邦公司)，去离子水1000mL，过氧化氢(30wt％，20mL)，浓硫酸(98wt％，1mL)，硼氢化钠(纯度99％，2.5g)，氯化锂(纯度99％，10g)，四氨合氯化铂(纯度98％，0.05g)，异丙醇(分析纯，50mL)。

具体制备步骤如下：

一、前处理过程

选用杜邦公司生产的Nafion 117薄膜(厚度约为190μm)，将其裁剪成长30mm，宽30mm的正方形小片；

1)将Nafion膜浸泡在质量分数为5％的过氧化氢水溶液中4h，然后取出，将Nafion膜在去离子水中100℃煮沸1h；

2)将薄膜取出后浸泡在质量分数为5％的硫酸溶液中4h，然后在去离子水中100℃煮沸1h；

3)经过前处理后，Nafion膜充分地吸水溶胀，呈现柔软的透明状。

二、制备金属电极过程

采用纯辅助化学镀的方法，在Nafion膜表面通过多次化学镀，制备均匀、致密的铂电极；

1)将已进行前处理的Nafion膜浸泡在质量分数为0.5％的四氨合氯化铂水溶液中24h，使Nafion膜吸收大量的铂氨离子；

2)将Nafion膜浸泡在异丙醇和水的混合溶液中，其中异丙醇和水的体积比为1:3，浸泡足够时间使Nafion膜充分地吸水溶胀；

3)待Nafion膜充分溶胀后，将异丙醇/水混合溶液升温至40℃，在剧烈搅拌下，每隔30min滴加5mL质量分数为5％的硼氢化钠水溶液作为还原剂溶液，共滴加10次，加入还原剂后，Nafion膜表面的铂氨离子会被还原成单质铂，少量多次的还原方法可以使Nafion膜表面的金属铂更加均匀、致密；

4)将上述步骤1)、2)和3)重复2次，最终可以在Nafion膜表面形成均匀、致密的铂电极。

三、离子交换过程

1)将Nafion薄膜置于80℃的真空干燥箱中进行干燥，除去膜内的水分子；然后将Nafion膜浸泡在去离子水中使薄膜充分地吸水溶胀；

2)最后将Nafion膜浸泡在饱和的氯化锂水溶液中24h，进行充分的锂离子交换，使Nafion离子交换膜内充分置换入阳离子Li⁺。

实施例一

请参阅图1所示：

本发明所提供的一种电控型人工肌肉能够在较低的电压下产生较大的弯曲形变，这是因为经过充分离子交换后的Nafion膜内含有大量的正一价的锂离子，当对Nafion膜的两侧施加几伏的电压后，Nafion膜内的阳离子Li⁺会向阴极一侧移动，同时带动膜内的水分子向阴极一侧迁移，最终使Nafion膜的阴极吸水溶胀，阳极失水收缩，导致整个Nafion膜向阳极一侧弯曲，同时产生一定的驱动力；

实施例二

本发明所提供的一种电控型人工肌肉在较低的驱动电压下可以产生较大的形变，且响应速度极快，利用函数发生器将具有一定频率和一定偏压的方波信号施加在Nafion人工肌肉两侧的铂电极上，利用激光位移测试系统检测Nafion膜尖端的位移，具体数据列于表1：

表1 Nafion人工肌肉在不同频率不同偏压下的最大位移

当电压频率为0.1Hz时，随着偏压增大，Nafion膜尖端的最大位移量也随之增大，图2所示，展示了Nafion膜在0.1Hz的不同施加电压下，膜尖端位移量随时间的变化曲线，由图可知，施加电压越大，膜尖端的位移量越大，图3所示，展示了Nafion膜在不同频率的电压下，膜尖端的最大位移量与施加电压大小的关系，由图可知，电压为0.1Hz±8V时，Nafion膜尖端的最大形变位移量可达到8.5mm。

Claims (3)

1.一种电控型人工肌肉的制备方法，具体步骤如下：

一、前处理过程

选用杜邦公司生产的Nafion117薄膜(厚度约为190μm)，将其裁剪成长30mm，宽30mm的正方形小片，将Nafion膜浸泡在5wt％的过氧化氢水溶液中4h，然后取出，将Nafion膜在去离子水中煮沸1h；将薄膜取出后浸泡在5wt％的硫酸溶液中4h，然后在去离子水中煮沸1h，经过前处理后，Nafion膜充分地吸水溶胀，呈现柔软的透明状；

二、制备金属电极过程

采用纯辅助化学镀的方法，在Nafion膜表面通过多次化学镀，制备均匀、致密的铂电极；

将已进行前处理的Nafion膜浸泡在0.5wt％的四氨合氯化铂水溶液中24h，使Nafion膜吸收大量的铂氨离子，将Nafion膜浸泡在异丙醇和水的混合溶液中，其中异丙醇和水的体积比为1:3，浸泡足够时间，使Nafion膜充分地吸水溶胀，Nafion膜充分溶胀后，将异丙醇/水混合溶液升温至40℃，在剧烈搅拌下，每隔30min滴加5mL5wt％的硼氢化钠水溶液作为还原剂，共滴加10次，加入还原剂后，Nafion膜表面的铂氨离子会被还原成单质铂，少量多次的还原方法可以使Nafion膜表面的金属铂更加均匀、致密，重复上述步骤2次，在Nafion膜表面形成均匀、致密的铂电极；

三、离子交换过程

将Nafion薄膜置于80℃的真空干燥箱中进行干燥，除去膜内的水分子；然后将Nafion膜浸泡在去离子水中充分吸水溶胀，最后将Nafion膜浸泡在饱和的氯化锂水溶液中24h，进行充分的锂离子交换，使Nafion离子交换膜内充分置换入正一价的锂离子。

2.根据权利要求1所述的一种电控型人工肌肉的制备方法，其特征在于：对Nafion人工肌肉样件施加几伏的电压后，样件向阳极一侧弯曲形变。

3.根据权利要求1所述的一种电控型人工肌肉的制备方法，其特征在于：对Nafion人工肌肉样件施加频率分别为0.1Hz、1Hz、10Hz的方波电压时，在±8V电压下Nafion人工肌肉尖端的最大位移量为8.5mm。