CN110510570B - 磺化pvdf基ipmc电致动器及其制备方法和在vr触感手套中的应用 - Google Patents

磺化pvdf基ipmc电致动器及其制备方法和在vr触感手套中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磺化PVDF基IPMC电致动器及其制备方法和在VR触感手套中的应用，所述IPMC电致动器由磺酸化PVDF制备的基底膜、固定在基底膜两侧的PVDF/石墨电极和外接的电信号输入系统组成，所述基底膜由磺酸化PVDF静电纺丝制成，所述PVDF/石墨电极由导电石墨掺杂PVDF挂浆成膜制成。本发明的IPMC具有大量的水通道，大量的水通道能极大的提高材料内部的水分子迁移量，在材料内部形成更大的压力差和离子流，有利于电致动器形成更大的驱动，同时也提供更大的力学性能。本发明的IPMC在用途上具有更加广阔的领域。譬如，由于本发明的IPMC质量轻，能源消耗少，因此可以用于VR游戏设备的触感手套。

Description

磺化PVDF基IPMC电致动器及其制备方法和在VR触感手套中的 应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及磺化PVDF基IPMC电致动器及其制备方法和在VR触感手套上的应用。
背景技术
在聚合物膜的两侧通过化学电镀的方法镀上贵金属如铂，金等，能制成离子聚合物金属复合物(Ionic Polymer Metal Composite，IPMC)，又称人工肌肉。该材料在电场作用下能发生弯曲，并且交变弯曲状态下能够产生微电场，因而可应用于致动器和传感器，由于其质量轻，驱动电压低，类似于生物肌肉的性能，这种材料目前在致动器发面得到了广泛的研究和应用。其驱动机理如图1所示。
在电场作用下阳离子携带一定的水分子向阴极移动，从而引起阳极收缩和阴极膨胀，以至于材料发生弯曲。这种材料的驱动电压低，通常在1-3V左右。
离子聚合物金属化合物的驱动是由于基底材料中的阳离子在电场作用下带动水分子向阴极移动，从而使得材料向阳极弯曲，水分的损失会影响IPMC人工肌肉材料的输出力和位移，所以目前IPMC人工肌肉的应用主要在水中或者潮湿环境，在干燥环境下IPMC人工肌肉的工作时间还相当的短。
由PVDF制成的IPMC具有电压小，反应快，价格低廉等特点，深受科技各领域的应用，但是它同时存在着孔隙率低，吸水性差，位移距离短，位移周期短，力学性能小等缺点。
近年来，为了提高IPMC人工肌肉的力学输出性能，国内外学者对此做了大量的研究，其中包括通过改进化学电镀的方法，减少水分的损失来提高IPMC的力学性能。目前较好的方法是通过对基底材料(PVDF)的改性，用改性后的PVDF膜来制备IPMC，这样可以大大的提高IPMC的力学性能和工作时间。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种磺化PVDF基IPMC电致动器及其制备方法和在VR触感手套上的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种磺化PVDF基IPMC电致动器，所述IPMC电致动器由磺酸化PVDF制备的基底膜、固定在基底膜两侧的PVDF/石墨电极和外接的电信号输入系统组成，所述基底膜由磺酸化PVDF静电纺丝制成，所述PVDF/石墨电极由导电石墨掺杂PVDF挂浆成膜制成。
进一步，所述基底膜的厚度为0.1-0.5mm，丝直径为0.5-8μm。
进一步，所述PVDF/石墨电极的面电阻为0.5-50Ω。
进一步，所述电信号输入系统的电信号为0.1-10Hz，0.5-5V的正弦波、方波或三角波。
所述的磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，包括以下步骤：
(1)磺酸化PVDF粉末的制备：将PVDF固体粉末放入NaOH水溶液中浸泡2h，再放入去离子水中浸泡2h，然后加入光引发剂和对乙烯基苯磺酸钠溶液，放在紫外灯下进行引发，分别照射15h、24h、36h、45h、50h、60h，制得磺酸化PVDF固体粉末；
(2)磺酸化PVDF基底膜溶液的制备：将磺酸化PVDF固体粉末加入DMF溶剂中，60℃下搅拌，混合均匀，然后静置去除溶液中的气泡，得到磺酸化PVDF基底膜溶液；
(3)静电纺丝制备磺酸化PVDF基底膜；
(4)PVDF/石墨电极液的制备：按质量比为1.4：1称取导电石墨粉和PVDF装于烧杯，加入DMF放在超声波分散器中充分的分散均匀，得到PVDF/石墨电极液；
(5)挂浆法制备PVDF/石墨电极：将步骤(4)配好的PVDF/石墨电极液涂敷于玻璃板上，放于烘箱中干燥成膜；
(6)IPMC的组装：将步骤(3)静电纺丝制备的磺酸化PVDF基底膜和挂浆法制备的PVDF/石墨电极通过热压的方法结合在一起，切割后得到磺化PVDF基IPMC电致动器。
进一步，所述步骤(1)中PVDF固体粉末和对苯乙烯磺酸钠的质量比为1:2，光引发剂占PVDF固体粉末质量的5‰。
进一步，所述步骤(3)静电纺丝制备磺酸化PVDF基底膜的方法如下：将制得的磺酸化PVDF基底膜溶液放置在针筒推进器上，连接好高压装置线路，并安装静电屏蔽装置，调节电压为12kV，针管和接收装置滚筒的距离20cm，针管推进器的推进速度0.20mL/h，纺丝24h得到磺酸化PVDF基底膜。
所述的磺化PVDF基IPMC电致动器在VR触感手套上的应用：所述VR触感手套包括手套主体、中央控制模块、驱动模块和电源组件，所述的中央控制模块通过导线与驱动模块连接，所述的驱动模块通过导线和电源组件连接；所述的驱动模块由磺化PVDF基IPMC电致动器组成；所述的中央控制模块包括信号接收装置和信号处理装置；所述的电源组件通过接收来自中央控制模块传出的信号放出电流控制驱动模块；所述的磺化PVDF基IPMC电致动器包括聚合物层和两侧电极层，所述的IPMC电致动器(三层夹心结构)可通过电源组件施加电信号进行驱动。
以磺酸化PVDF为电解质膜的IPMC作为驱动模块，再通过导线与电源组件相连，同时将电源组件与中央控制模块相连，如此以来，该手套可接收来自于外部设备的信号并传递给电源，电源使IPMC电致动器发生偏转产生反馈力。
本发明的有益效果：1.本发明提出的IPMC具备高度的多孔度，磺酸化PVDF基底膜是纺丝制得，因此空隙率很大，多孔度很高，使IPMC吸收更多的水，有利于维持IPMC长时间的稳定驱动。
2.本发明提出的以磺酸化PVDF为基底膜的IPMC具备高亲水性，本身的纺丝制得的PVDF基底膜具有高的多孔度，磺酸接枝后使得基底膜亲水性更强。高亲水性可以使IPMC储存更多的水分，有利于IPMC驱动时间更长。
3.本发明提出的以磺酸化PVDF为基底膜的IPMC具有大量的水通道，大量的水通道能极大的提高材料内部的水分子迁移量，在材料内部形成更大的压力差和离子流，有利于电致动器形成更大的驱动，同时也提供更大的力学性能。
4.本发明提出的以磺酸化PVDF为基底膜的IPMC价格低廉，使用PVDF代替价格高昂的Nafion，使用石墨电极代替昂贵的贵金属电极，在价格低廉的基础上保证制备的IPMC具有良好的性能，有利于产品的研发及应用。
5.本发明的IPMC在用途上具有更加广阔的领域。譬如，由于本发明的IPMC质量轻，能源消耗少，因此可以用于VR游戏设备的触感手套。
附图说明
图1为离子聚合物金属复合物的驱动机理图。
图2为本发明制成的磺酸化PVDF粉末接枝机理图。
图3为本发明制成的磺酸化PVDF电解质膜的正面扫描电镜图片。
图4为本发明制成的磺酸化PVDF电致动器的结构示意图。
图5为本发明设计的VR触感手套的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1(磺酸化PVDF粉末的制备)
制备磺酸接枝PVDF粉末：称量3g PVDF固体粉末，放入0.07mol/L的NaOH的水溶液浸泡2h，再放入去离子水中浸泡2h。加入10mL光引发剂2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮和对乙烯基苯磺酸钠溶液，放在紫外灯下进行引发，分别照射15h、24h、36h、45h、50h、60h，制得磺酸化PVDF固体粉末。如图2所示是磺酸化PVDF固体粉末接枝机理图。
为了判断紫外光照时间对IPMC性能的影响，将不同照射时间制得的IPMC置于电源的两极，控制电压位3V，工作频率为0.5Hz，长度、宽度、和厚度分别固定为30、3和0.11mm，用高速摄像机(Olympus)和激光位移传感器(Keynce)观察电驱动器的位移和材料的工作时间，用力传感器测其输出力的大小，并进行力和位移输出及工作时间的比较。结果列于表1。
表1不同光照时间制备的磺酸接枝PVDF离子交换聚合物致动器的性能
Figure BDA0002187214310000051
实施例2(静电纺丝制备磺酸化PVDF电解质膜)
采用静电纺丝方法制备磺酸接枝PVDF复合基底膜：
(1)磺酸化PVDF基底膜溶液的制备：称量1.2g磺酸化PVDF固体粉末，加入15mLDMF溶剂，60℃下加热搅拌，混合均匀，然后抽真空去除溶液中的气泡，得到磺酸接枝PVDF膜溶液；
(2)制备磺酸化PVDF电解质膜：膜溶液放置在针筒推进器上，连接好高压装置线路，并安装静电屏蔽装置，调节电压为12kV，针管和接收装置滚筒的距离20cm，针管推进器的推进速度0.20mL/h，纺丝24h得到磺酸化PVDF基底膜。切取1cm×4cm的基底膜作为IPMC。如图3是酸化PVDF电解质膜扫描电镜图。
实施例3(PVDF/石墨电极的制备)
PVDF/石墨电极液的制备：称取导电石墨粉和PVDF调整质量比为1.4：1装于烧杯，加入DMF放在超声波分散器中充分的分散均匀，得到IPMC的电极液；将配好的PVDF/石墨电极液涂敷于玻璃板上，放于烘箱中干燥成膜；通过四探针仪器测试得到电极的方块电阻是如表2所示。
表2电极液的方块电阻
1 2 3 4 5 6 平均
电极液电阻(Ω) 4.75 5.25 5.04 5.52 5.79 4.99 5.22
实施例4(IPMC的组装)
将静电纺丝制备的磺酸化PVDF基底膜和挂浆法制备的PVDF/石墨电极通过热压的方法结合在一起。将磺酸化PVDF基底膜放在两片PVDF/石墨电极之间，用玻璃板压平并再玻璃板上放置重物，将其放入80℃的烘箱中干燥12h。
上述制备的IPMC，用扫描电镜(SEM)观测基底膜纤维直径和基底膜层的厚度，其中磺酸化PVDF电致动器的结构示意图如图4所示。
实施例5(IPMC电信号的收集)
(1)实验装置：主要有信号产生单元、信号放大单元、力传感器组成。信号产生单元的硬件由NI公司的6024E多功能数据采集卡组成；软件由LabVIEW编程得到；信号放大单元由TI公司的功率放大芯片OPA548组成；力传感器选用了可测微牛级的一维力传感器，力传感器测的电压信号通过放大电路，再由6024E多功能数据采集卡读入计算机内，经处理后得到力信号。
(2)电致动性能测试：将IPMC置于电源的两极，控制电压处于0.5～5V之间，工作频率为0.1～10Hz，用高速摄像机(Olympus)和激光位移传感器(Keynce)观察电驱动器的位移和材料的工作时间，用力传感器测其输出力的大小，并进行力和位移输出及工作时间的比较。结果列于表3。
表3磺酸接枝PVDF离子交换聚合物致动器的相关参数
Figure BDA0002187214310000071
实施例6(IPMC的性能测试)
离子交换当量测试：
将实施例5样品和商业PVDF膜的离子交换当量(IEC)测试。将所制备的干燥膜样品浸泡在2mol/L的NaCl溶液中8h，使钠离子将磺酸基团中的氢离子交换出来，之后使用0.1mol/L的标准NaOH溶液进行滴定，IEC的计算公式如下：
Figure BDA0002187214310000081
式中VNaOH是被消耗的NaOH溶液的体积，MNaOH是NaOH的浓度，W是干膜的重量。结果见表4。
吸水率测试：
室温下，将实施例5中的样品和商业PVDF空白膜浸泡在去离子水中24h，取出后，仔细擦干表面水分，用分析天平测试其质量，作为饱和吸水状态下质量(M1)，然后将试样放入真空干燥箱中，在70℃下干燥24h，测试干燥膜的质量(M2)。按式(M1-M2)/M2计算试样的吸水率。结果见表4。
电机械学性能测试：
电机械性能测试平台包括信号发生器、力传感器和多功能数据采集卡组成。信号发生器(SP864，南京)可在0～10V电压，0.1～100Hz频率下变换正弦、方波和三角波信号；力传感器(FEMTO-10000，瑞士)量程为10mN，灵敏度为1μN；多功能数据采集卡(NI，6024E)采用Lapview(v14.0)支撑软件。实施例5样品IPMC样品的尺寸为20×2×0.33mm3，空气气氛下测试。结果见表5。
表4实施例5中各个IPMC的吸水率、IEC、力学性能结果
Figure BDA0002187214310000082
Figure BDA0002187214310000091
表5实施例5中各个IPMC的电致动性能与相关参数
Figure BDA0002187214310000092
通过表4和表5可以得知，本发明的以磺酸接枝PVDF做电解质膜的IPMC径向具有大的力输出，是以PVDF为基底膜的IPMC输出力的3-12倍。
本发明得到的以磺酸接枝PVDF做电解质膜的IPMC具有大的位移，偏转角度是以PVDF为电解质膜的IPMC输出力的6-12倍。
PVDF和磺酸接枝PVDF的性能对比结果如表5，可以看出，静电纺丝得到的PVDF与静电纺丝得到的磺酸接枝PVDF相比，纺丝磺酸接枝PVDF为基底膜得到的IPMC，力学性能可以有很大的提高，也可以使它的位移性能大幅度提高，因此在不同应用领域上，纺丝磺酸接枝PVDF为基底膜得到的IPMC可以充分发挥其各向异性的优良特性。
实施例7(在VR触感手套上的应用)
VR触感手套包括手套主体(1)、中央控制模块(2)、驱动模块(3)和电源组件(4)，所述的手套主体包括内外两层绝缘体；所述的中央控制模块包括信号接收装置和信号处理装置；所述的驱动模块由以磺酸化PVDF为基底膜的IPMC电致动器组成；所述的电源组件由电池组成，通过接收来自中央控制模块传出的信号放出电流控制驱动模块；所述的模块都通过导线相连接，导线将中央控制模块、驱动模块和电源组件相连接；所述的IPMC电致动器包括聚合物层和两侧电极层，所述的三层夹心结构的IPMC电致动器可通过电源组件施加电信号进行驱动。所述的信号接收系统接收外部发出的信号；所述的信号处理装置包括芯片，所述芯片可对信号接收装置接受的信号进行处理并传递给电源组件。如此以来，该手套可接收来自于外部设备的信号并传递给电源，电源使IPMC电致动器发生偏转产生反馈力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）磺酸化PVDF粉末的制备：将PVDF固体粉末放入NaOH水溶液中浸泡2h，再放入去离子水中浸泡2h，然后加入光引发剂和对乙烯基苯磺酸钠溶液，放在紫外灯下进行引发，分别照射15h、24h、36h、45h、50h、60h，制得磺酸化PVDF固体粉末；
（2）磺酸化PVDF基底膜溶液的制备：将磺酸化PVDF固体粉末加入DMF溶剂中，60℃下搅拌，混合均匀，然后静置去除溶液中的气泡，得到磺酸化PVDF基底膜溶液；
（3）静电纺丝制备磺酸化PVDF基底膜；
（4）PVDF/石墨电极液的制备：按质量比为1.4:1称取导电石墨粉和PVDF装于烧杯，加入DMF放在超声波分散器中充分的分散均匀，得到PVDF/石墨电极液；
（5）挂浆法制备PVDF/石墨电极：将步骤（4）配好的PVDF/石墨电极液涂敷于玻璃板上，放于烘箱中干燥成膜；
（6）IPMC的组装：将步骤（3）静电纺丝制备的磺酸化PVDF基底膜和挂浆法制备的PVDF/石墨电极通过热压的方法结合在一起，切割后得到磺化PVDF基IPMC电致动器；
所述IPMC电致动器由磺酸化PVDF制备的基底膜、固定在基底膜两侧的PVDF/石墨电极和外接的电信号输入系统组成，所述基底膜由磺酸化PVDF静电纺丝制成，所述PVDF/石墨电极由导电石墨掺杂PVDF挂浆成膜制成。
2.根据权利要求1所述的磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，其特征在于：所述基底膜的厚度为0.1-0.5mm，丝直径为0.5-8μm。
3.根据权利要求1所述的磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，其特征在于：所述PVDF/石墨电极的面电阻为0.5-50Ω。
4.根据权利要求1所述的磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，其特征在于：所述电信号输入系统的电信号为0.1-10Hz，0.5-5V的正弦波、方波或三角波。
5.根据权利要求1所述的磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中PVDF固体粉末和对苯乙烯磺酸钠的质量比为1:2，光引发剂占PVDF固体粉末质量的5‰。
6.根据权利要求1所述的磺化PVDF基IPMC电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）静电纺丝制备磺酸化PVDF基底膜的方法如下；将制得的磺酸化PVDF基底膜溶液放置在针筒推进器上，连接好高压装置线路，并安装静电屏蔽装置，调节电压为12kV，针管和接收装置滚筒的距离20cm，针管推进器的推进速度0.20mL/h，纺丝24h得到磺酸化PVDF基底膜。
7.一种VR触感手套，其特征在于：所述手套包括权利要求1-6任一所述的制备方法制得的磺化PVDF基IPMC电致动器。
8.根据权利要求7所述的VR触感手套，其特征在于：所述VR触感手套包括手套主体（1）、中央控制模块（2）、驱动模块（3）和电源组件（4），所述的中央控制模块通过导线与驱动模块连接，所述的驱动模块通过导线和电源组件连接；所述的驱动模块由磺化PVDF基IPMC电致动器组成；所述的中央控制模块包括信号接收装置和信号处理装置；所述的电源组件通过接收来自中央控制模块传出的信号放出电流控制驱动模块；所述的磺化PVDF基IPMC电致动器包括聚合物层和两侧电极层，所述的IPMC电致动器通过电源组件施加电信号进行驱动。
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