CN110165044A - 一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器及其制备方法。微驱动器包括透明胶带层、第一电极层、电致伸缩聚合物层、第二电极层，共四层结构。电致伸缩聚合物为聚氨酯、聚偏氟乙烯或硅树脂材料；电极为金属材料或碳材料。本发明的微驱动器，利用掺杂导电填料的电致伸缩聚合物和透明胶带制备得到，在高压电场作用下，由于透明胶带固定的一侧不能产生形变，另一侧发生伸长形变，从而实现驱动器朝透明胶带层的方向单向弯曲，撤除电场后回复原位。该微驱动器的制备方法简单，所需材料容易获得。用多个微驱动器可组装成柔性爪来抓取鸡蛋、草莓等刚性机器爪较难抓取的物体。该微驱动器在人工肌肉、软体机器人等领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电活性聚合物柔性驱动器技术领域，具体是一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器及其制备方法。
背景技术
电活性聚合物(Electro-active polymer,EAP)是一种智能材料，具有特殊的机电转换特性。电活性聚合物最常见的应用之一是在机器人学中对人工肌肉的开发。因此，电活性聚合物也常被用作人工肌肉的代名词。电活性聚合物在驱动器和传感器上被广泛应用。按照作用机理的不同，电活性聚合物主要分为电子型和离子型两大类。其中，电子型电活性聚合物包括电致伸缩聚合物、铁电聚合物、介电弹性体、液晶弹性体等(王岚，赵淑金，王海燕，党智敏.电活性聚合物的研究进展.稀有金属材料与工程，2005，34，728-733)。电子型电活性聚合物材料通常在高压电场作用下，平面方向产生延展面积形变，厚度方向产生缩小厚度形变。电子型电活性聚合物材料的介电性能是影响形变的关键因素之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器及其制备方法，高压电场作用下，该微驱动器能够实现单向弯曲，在撤除电场后回复原位。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，包括透明胶带层、第一电极层、电致伸缩聚合物层、第二电极层，共四层结构，所述电致伸缩聚合物层上下表面附着电极层。
优选的，所述电致伸缩聚合物层包括基体和导电填料；所述基体采用聚氨酯、聚偏氟乙烯或硅树脂；所述导电填料采用石墨烯、功能化石墨烯、石墨烯量子点、导电炭黑、碳纳米管或功能化碳纳米管。
优选的，所述电极层通过涂覆、热压或磁控溅射方式附着在电致伸缩聚合物层的上下表面。
优选的，所述位于电致伸缩聚合物层上下表面的电极层分别引出两根导线，所述两根导线用于连接高压电源正负极。
优选的，所述透明胶带层粘附在两电极层的其中一个电极层上面。
优选的，所述电极层选用金属材料或者碳材料；所述金属材料包括铂、银或金中的一种，所述碳材料包括导电碳膏、炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种。
优选的，所述透明胶带层是以双向拉伸聚丙烯薄膜为基材的市售商品透明胶带。
上述单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器的制备方法，包括以下步骤：
取适量高分子基体材料用有机溶剂溶解，加入导电填料，超声分散均匀，将溶液倒入模具中，置于真空干燥箱中烘干得到掺杂导电填料的高分子薄膜；在高分子薄膜的上下两侧通过磁控溅射、热压或涂覆得到电极层；上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极；透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的微驱动器。
所述高分子基体材料包括聚氨酯、聚偏氟乙烯和硅树脂中的任意一种或两种以上的组合；
所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二氯甲烷；
所述导电填料包括石墨烯、功能化石墨烯、石墨烯量子点、导电炭黑、碳纳米管或功能化碳纳米管；
所述导电填料在基体中的质量分数为0～5％；
所述真空干燥箱干燥温度为50～120℃，干燥时间为6～48h；
所述高分子基体薄膜厚度为50～300微米；
所述电极厚度为10纳米～20微米。
上述单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器的电致应变值的计算方法，包括以下公式：
θR＝L1＝L0 (1)
θ(R+T1+T2)＝L2 (2)
由公式(1),(2)和(3),得到电致应变
θ为驱动器长条摆动弧的圆心角；
R为驱动器长条摆动弧对应的圆半径；
L0为驱动器长条致动前长度；
L1为驱动器长条致动后透明胶带层的长度；
L2为驱动器长条致动后电致伸缩聚合物层的长度；
T1为透明胶带层的厚度；
T2为电致伸缩聚合物层的厚度；
D为驱动器长条底端的电致动位移。
本发明的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，利用掺杂导电填料的电致伸缩聚合物和透明胶带制备得到，在高压电场作用下，由于透明胶带固定的一侧不能产生形变，另一侧发生伸长形变，从而实现驱动器朝透明胶带层的方向单向弯曲，撤除电场后回复原位。该微驱动器的制备方法简单，所需材料容易获得。用多个这种微驱动器可组装成柔性爪来抓取鸡蛋、草莓等刚性机器爪比较难抓取的易碎易破坏的物品。该微驱动器在人工肌肉、仿生软体机器人等领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明微驱动器结构示意图
图2是图1所示的微驱动器在高压电场下产生弯曲位移的示意图；
图3是为计算电致应变值的微驱动器的简化模型示意图；
图4是本发明一典型实例中石墨烯导电填料的透射电镜图；
图5是本发明一典型实例中一种掺杂0.5％石墨烯的硅树脂复合材料的介电性能；
图6是本发明一典型实例中一种石墨烯电极-硅树脂类型微驱动器断面的扫描电镜图；
图7是本发明一典型实例中一种掺杂1.0％石墨烯的硅树脂复合材料的介电性能；
图8是本发明一典型实例中碳纳米管导电填料的透射电镜图；
图9是本发明一典型实例中一种掺杂0.8％碳纳米管的聚氨酯复合材料的介电性能；
图10是本发明一典型实例中一种掺杂2.0％碳纳米管的聚氨酯复合材料的介电性能；
图11是本发明一典型实例中石墨烯量子点导电填料的透射电镜图；
图12是本发明一典型实例中一种掺杂1.0％石墨烯量子点的聚偏氟乙烯复合材料的介电
性能；
图13是本发明一典型实例中一种掺杂2.5％石墨烯量子点的聚偏氟乙烯复合材料的介电
性能。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器及其制备方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，由上至下依次包括透明胶带层1、第一电极层2、电致伸缩聚合物层3、第二电极层4，共四层结构。电致伸缩聚合物层3上下表面附着第一电极层2和第二电极层4。如图2所示，关闭开关，连通电路，在高压电场作用下，由于透明胶带固定的一侧不能产生形变，另一侧发生伸长形变，从而实现驱动器朝透明胶带层的方向单向弯曲，撤除电场后回复原位。
电致伸缩聚合物层3是由聚氨酯、聚偏氟乙烯、硅树脂等为基体掺杂导电填料制备得到。电极层通过涂覆、热压或磁控溅射方式附着在电致伸缩聚合物层的上下表面。比如，采用聚氨酯两侧磁控溅射铂电极的微驱动器为铂电极-聚氨酯类型微驱动器。比如，采用聚偏氟乙烯两侧涂覆导电银浆电极的微驱动器为银电极-聚偏氟乙烯类型微驱动器。比如，采用硅树脂两侧热压石墨烯电极的微驱动器为石墨烯电极-硅树脂类型微驱动器。本发明的电致伸缩聚合物层基体和导电填料的组合多种多样，不局限于上述举例。
位于电致伸缩聚合物层上下表面的第一电极层2和第二电极层4分别引出两根导线，两根导线用于连接高压电源正负极。
透明胶带层1粘附在两电极层的其中一个电极层上面。
电极层是金属(铂、银、金等)或者碳材料(导电碳膏、炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管等)。
透明胶带层1是以双向拉伸聚丙烯薄膜为基材的市售商品透明胶带。
上述单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器的制备方法，包括以下步骤：
取适量高分子基体材料用有机溶剂溶解，加入导电填料，超声分散均匀，将溶液倒入模具中，置于真空干燥箱中烘干得到掺杂导电填料的高分子薄膜；在高分子薄膜的上下两侧通过磁控溅射、热压或涂覆得到电极层；上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极；透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的微驱动器。
为了达到更好的技术效果，所述高分子基体材料包括聚氨酯、聚偏氟乙烯和硅树脂中的任意一种或两种以上的组合；
所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二氯甲烷；
所述导电填料包括石墨烯、功能化石墨烯、石墨烯量子点、导电炭黑、碳纳米管或功能化碳纳米管；
所述导电填料在基体中的质量分数为0～5％；
所述真空干燥箱干燥温度为50～120℃，干燥时间为6～48h；
所述高分子基体薄膜厚度为50～300微米；
所述电极厚度为10纳米～20微米。
如图3驱动器模型示意图所示，上述单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器的电致应变值的计算方法，包括以下公式：
θR＝L1＝L0 (1)
θ(R+T1+T2)＝L2 (2)
由公式(1),(2)和(3),得到电致应变
θ为驱动器长条摆动弧的圆心角；
R为驱动器长条摆动弧对应的圆半径；
L0为驱动器长条致动前长度；
L1为驱动器长条致动后透明胶带层的长度；
L2为驱动器长条致动后电致伸缩聚合物层的长度；
T1为透明胶带层的厚度；
T2为电致伸缩聚合物层的厚度；
D为驱动器长条底端的电致动位移(激光位移传感器测得)。
以下通过数个实例来说明本发明的微驱动器结构、制备方法以及电致应变值的计算方法：
实例1
取70毫克硅树脂，5毫克硅树脂固化剂，5毫升二氯甲烷混合，然后加入质量分数0.5％的石墨烯，超声分散均匀，将溶液倒入长条形模具中，置于真空干燥箱中50℃固化48h，得到厚度为147微米的掺杂石墨烯导电填料的硅树脂膜。图4示出了根据本发明的示例性实例的石墨烯导电填料的透射电镜图，通过图4可以看出石墨烯具有超薄纳米片结构。图5是掺杂0.5％石墨烯的硅树脂复合材料的介电常数随频率的变化图。分别将两个15微米厚度的石墨烯薄膜热压到硅树脂膜的上下两侧形成石墨烯电极。上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极。透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的石墨烯-硅树脂类型微驱动器。根据本发明的示例性实例1制备的微驱动器，激光位移传感器测得的2500V电压下，底端驱动位移为2.631mm。根据公式计算得到的电致应变值为0.157％。另外图6示出了根据本发明的示例性实例的石墨烯电极-硅树脂类型微驱动器断面的扫描电镜图，从图6可以看到透明胶带层1牢固地粘附在电极层上，没有产生断层，电极层和电致伸缩聚合物层3之间的界面粘附力强。
实例2
取70毫克硅树脂，5毫克硅树脂固化剂，5毫升二氯甲烷混合，然后加入质量分数1.0％的石墨烯，超声分散均匀，将溶液倒入长条形模具中，置于真空干燥箱中50℃固化48h，得到厚度为155微米的掺杂1.0％石墨烯导电填料的硅树脂膜。图7是掺杂1.0％石墨烯的硅树脂复合材料的介电常数随频率的变化图。分别将两个20微米厚度的石墨烯薄膜热压到硅树脂膜的上下两侧形成石墨烯电极。上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极。透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的石墨烯-硅树脂类型微驱动器。根据本发明的示例性实例2制备的微驱动器，激光位移传感器测得的2500V电压下，底端驱动位移为3.546mm。根据公式计算得到的电致应变值为0.220％。
实例3
取400毫克聚氨酯颗粒用25毫升N,N-二甲基甲酰胺溶解，加入质量分数0.8％的碳纳米管，超声分散均匀，将溶液倒入直径60毫米的培养皿中，置于真空干燥箱中100℃干燥24h得到厚度为108微米的掺杂0.8％碳纳米管导电填料的聚氨酯膜。图8示出了根据本发明的示例性实例的碳纳米管导电填料的透射电镜图，通过图8可以看出碳纳米管具有多壁纳米管结构。图9是掺杂0.8％碳纳米管的聚氨酯复合材料的介电常数随频率的变化图。在剪裁好尺寸的聚氨酯长条的上下两侧磁控溅射得到金属铂电极。金属铂电极的厚度为10纳米。上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极。透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的金属铂-聚氨酯类型微驱动器。根据本发明的示例性实例3制备的微驱动器，激光位移传感器测得的1500V电压下，底端驱动位移为5.668mm。根据公式计算得到的电致应变值为0.264％。
实例4
取400毫克聚氨酯颗粒用25毫升N,N-二甲基甲酰胺溶解，加入质量分数2.0％的碳纳米管，超声分散均匀，将溶液倒入直径60毫米的培养皿中，置于真空干燥箱中100℃干燥24h得到厚度为114微米的掺杂2.0％碳纳米管导电填料的聚氨酯膜。图10是掺杂2.0％碳纳米管的聚氨酯复合材料的介电常数随频率的变化图。在剪裁好尺寸的聚氨酯长条的上下两侧磁控溅射得到金属铂电极。上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极。透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的金属铂-聚氨酯类型微驱动器。根据本发明的示例性实例4制备的微驱动器，激光位移传感器测得的1500V电压下，底端驱动位移为7.425mm。根据公式计算得到的电致应变值为0.356％。
实例5
取250毫克聚偏氟乙烯粉末用10毫升N,N-二甲基甲酰胺溶解，加入质量分数1.0％的石墨烯量子点，超声分散均匀，将溶液倒在玻璃板上刮匀，置于真空干燥箱中120℃干燥24h得到厚度为50微米的掺杂1.0％石墨烯量子点导电填料的聚偏氟乙烯膜。图11示出了根据本发明的示例性实例的石墨烯量子点导电填料的透射电镜图，通过图11可以看出石墨烯量子点尺寸在5～10纳米。图12是掺杂1.0％石墨烯量子点的聚偏氟乙烯复合材料的介电常数随频率的变化图。在聚偏氟乙烯膜的上下两侧涂覆导电银浆并烘干得到银电极。银电极的厚度为10微米。上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极。透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的银膏-聚偏氟乙烯类型微驱动器。根据本发明的示例性实例5制备的微驱动器，激光位移传感器测得的1000V电压下，底端驱动位移为10.176mm。根据公式计算得到的电致应变值为0.303％。
实例6
取250毫克聚偏氟乙烯粉末用10毫升N,N-二甲基甲酰胺溶解，加入质量分数2.5％的石墨烯量子点，超声分散均匀，将溶液倒在玻璃板上刮匀，置于真空干燥箱中120℃干燥24h得到厚度为53微米的掺杂2.5％石墨烯量子点导电填料的聚偏氟乙烯膜。图13是掺杂2.5％石墨烯量子点的聚偏氟乙烯复合材料的介电常数随频率的变化图。在聚偏氟乙烯膜的上下两侧涂覆导电银浆并烘干得到银电极。银电极的厚度为10微米。上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极。透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的银膏-聚偏氟乙烯类型微驱动器。根据本发明的示例性实例6制备的微驱动器，激光位移传感器测得的800V电压下，底端驱动位移为4.516mm。根据公式计算得到的电致应变值为0.143％。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (9)
1.一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，包括透明胶带层、第一电极层、电致伸缩聚合物层、第二电极层，所述电致伸缩聚合物层上下表面附着电极层。
2.根据权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，所述电致伸缩聚合物层包括基体和导电填料；所述基体采用聚氨酯、聚偏氟乙烯或硅树脂；所述导电填料采用石墨烯、功能化石墨烯、石墨烯量子点、导电炭黑、碳纳米管或功能化碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，所述电极层通过涂覆、热压或磁控溅射方式附着在电致伸缩聚合物层的上下表面。
4.根据权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，所述位于电致伸缩聚合物层上下表面的电极层分别引出两根导线，所述两根导线用于连接高压电源正负极。
5.根据权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，所述透明胶带层粘附在两电极层的其中一个电极层上面。
6.根据权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，所述电极层选用金属材料或者碳材料；所述金属材料包括铂、银或金中的一种，所述碳材料包括导电碳膏、炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种。
7.根据权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器，其特征在于，所述透明胶带层是以双向拉伸聚丙烯薄膜为基材的市售商品透明胶带。
8.一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
取适量高分子基体材料用有机溶剂溶解，加入导电填料，超声分散均匀，将溶液倒入模具中，置于真空干燥箱中烘干得到掺杂导电填料的高分子薄膜；在高分子薄膜的上下两侧通过磁控溅射、热压或涂覆得到电极层；上下电极层分别引出两根导线连接高压电源正负极；透明胶带粘附在两电极层的其中一个电极层上面，得到高压电场下单向弯曲的微驱动器；
所述高分子基体材料包括聚氨酯、聚偏氟乙烯和硅树脂中的任意一种或两种以上的组合；
所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二氯甲烷；
所述导电填料包括石墨烯、功能化石墨烯、石墨烯量子点、导电炭黑、碳纳米管或功能化碳纳米管；
所述导电填料在基体中的质量分数为0～5％；
所述真空干燥箱干燥温度为50～120℃，干燥时间为6～48h；
所述高分子基体薄膜厚度为50～300微米；
所述电极厚度为10纳米～20微米。
9.权利要求1所述的单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器的电致应变值的计算方法，其特征在于包括以下公式：
L0为驱动器长条致动前长度；
L1为驱动器长条致动后透明胶带层的长度；
L2为驱动器长条致动后电致伸缩聚合物层的长度；
T1为透明胶带层的厚度；
T2为电致伸缩聚合物层的厚度；
D为驱动器长条底端的电致动位移。
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2019
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