CN111337561A - 一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法，是将导电薄膜单面溅射在经砂纸预处理过的聚合物薄膜上，以此为工作电极进行电化学沉积，沉积液为含有铋离子的乙二醇溶液，在电场作用下，溶液中的铋离子在阴极被还原为铋原子，在导电薄膜的表面聚集成致密的金属铋薄膜，形成聚合物/导电薄膜/铋层状结构的电化学驱动器。本发明驱动器的主动活性层和被动层不存在物理界面，5000次大应变循环使用后驱动行为无明显下降；驱动器的主/被动层厚度可调；驱动器在‑1V电压刺激下，最大可逆应变可达10.8％；驱动器可抓起其自重200倍的物体。

Description

一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法，具体为一种主/被动层无物理界面、无脱粘且层厚可调，具有大可逆应变且在大应变驱动条件下具有长寿命的铋增强的电化学驱动器的制备方法。
背景技术
电化学驱动器作为一种重要的人工肌肉材料，在智能机器人、生物医学、微电子器件等领域备受关注。离子型电化学驱动器通常是由紧密结合的主动活性层和被动层组成，在被动层的制约下，因活性层的体积变化使器件发生弯曲变形而产生驱动。然而在多次重复驱动后，活性层与被动层之间产生不可避免的脱粘现象，限制了其使用寿命。针对这一问题，有研究者们采用预处理的方法对被动层进行预氧化，通过增加界面间粗糙度的方法增加主动活性层与被动层之间的粘附力，改善其使用寿命，但这种方法只能从一定程度上抑制层间分离，并不能从根本上解决主/被动层之间的脱粘问题。还有学者巧妙地制备了互穿聚合物网络结构，使材料的主动活性物质含量由膜外向膜中心逐渐减少，形成浓度梯度，这种互穿聚合物网络结构虽然可以消除主/被动层之间的明显物理界面，但是由于其活性材料浓度分布不集中的结构特殊性，而无法实现大应变下的驱动变形，甚至不能超过10％应变量，直接影响其实际应用；同时，该类材料的制备过程复杂，不利于实际生产。
本发明所述的电化学驱动器由于其可在较低电压下产生较大的可逆应变，且材料本身具有较大的柔性和生物相容性，与人体肌肉具有更高的相似性，因此其在软体机器人用材料、微型驱动材料等领域具有很大的应用前景，在生物医疗等领域也具备潜在的应用价值。此外，基于其主/被动层一体的结构特点，从根本上避免了传统双层驱动材料的层间脱粘问题，在实际应用中可以极大的提高器件的使用寿命，减少成本。
发明内容
本发明提供了一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法，预处理过程采用砂纸对聚合物薄膜进行单面打磨；将导电薄膜制备在单面经砂纸预处理过的聚合物薄膜上，作为工作电极进行电化学沉积；聚合物为主链含有酰亚胺基团的链状高分子聚合物。电化学沉积为两电极体系或三电极体系下的阴极沉积，沉积时间为10～1800s；沉积液为含有铋离子的乙二醇溶液；在电场作用下，导电薄膜的表面聚集成致密的金属铋薄膜，形成聚合物/导电薄膜/铋层状结构的电化学驱动器。该驱动器的主动活性层与被动层为同一片聚合物薄膜，不存在物理界面。
进一步特征，驱动器的主/被动层厚度根据电化学刺激时间动态调节。相同电压调节，刺激时间越长主动层变厚，相应被动层就变薄；相同时间调节，电压越高，主动层就变厚，相应被动层就变薄。
进一步特征，所述的导电薄膜厚度范围为100～300nm。
进一步特征，所述导电薄膜采用金属薄膜或具有良好导电能力的碳材料薄膜。
本发明驱动过程中无任何分层现象，5000次大应变循环使用后驱动行为无明显下降；驱动器的主/被动层厚度可根据电化学刺激时间动态调节；驱动器在-1V电压刺激下，最大可逆应变可达10.8％；金属铋作为驱动器的强化层增大了驱动应变，使驱动器可抓取其自重200倍的物体。
附图说明
图1为制备铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的装置示意图。
图2为铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的结构示意图。
图中：1导电薄膜镀膜仪；2镀膜室；3电源；4工作电极；5参比电极；6辅助电极；7电解槽；8电解液；9金属铋层；10导电薄膜；11聚合物薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详情叙述本发明的实施例。
如图1所示，该装置为制备铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的装置，包括导电薄膜镀膜仪1、镀膜室2、电源3、工作电极4、参比电极5、辅助电极6、电解槽7、电解液8等。其中电源作为电化学反应的电压输出装置，电解液为电化学反应提供金属阳离子。
实施例1
采用粒度2000目的砂纸对均苯型聚酰亚胺薄膜进行单面打磨，然后将其浸泡在无水乙醇中超声清洗5min。用镀膜仪在已打磨好的表面溅射一层厚度为300nm的金层，裁剪成尺寸为3mm×15mm的矩形。以此为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，在沉积液中进行阴极电化学沉积，浸入沉积液的有效面积为3mm×10mm，沉积液为浓度为0.1M的硝酸铋的乙二醇溶液，沉积方法为恒电位法，沉积电位为-1V，沉积时间为300s。
电化学沉积后的样品表面呈黑色，以此为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，在浓度为3M的氯化钾水溶液中进行驱动性能检测，在施加-1V电压后，该驱动器产生弯曲应变，当持续时间为60s后，驱动器的应变可达10.8％，在5000次循环检测后仍能保持初始应变的93.1％。
实施例2
采用粒度为3000目的砂纸对均苯型聚酰亚胺薄膜进行单面打磨，并浸泡在无水乙醇中超声清洗5min。用镀膜仪在已打磨表面溅射一层厚度为300nm的金层，裁剪成尺寸为3mm×15mm的矩形。以此为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，在沉积液中进行阴极电化学沉积，浸入沉积液的有效面积为3mm×10mm，沉积液为浓度为0.05M的硝酸铋的乙二醇溶液，沉积方法为恒电位法，沉积电位为-1.5V，沉积时间为300s。
电化学沉积后的样品表面呈黑色，以此为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，在浓度为3M的氯化钠水溶液中进行驱动性能检测，在施加-1V电压后，该驱动器产生弯曲应变，当持续时间为60s后，驱动器的应变可达8.1％，在5000次循环检测后仍能保持初始应变的90％。

Claims (5)

1.一种铋增强的主/被动层一体的电化学驱动器的制备方法，其特征在于：
预处理过程采用砂纸对聚合物薄膜进行单面打磨；将导电薄膜制备在单面经砂纸预处理过的聚合物薄膜上，作为工作电极进行电化学沉积；聚合物为主链含有酰亚胺基团的链状高分子聚合物；电化学沉积为两电极体系或三电极体系下的阴极沉积，沉积时间为10～1800s；沉积液为含有铋离子的乙二醇溶液；在电场作用下，导电薄膜的表面聚集成致密的金属铋薄膜，形成聚合物/导电薄膜/铋层状结构的电化学驱动器，该驱动器的主动活性层与被动层为同一片聚合物薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：驱动器的主/被动层厚度根据电化学刺激时间与电压动态调节；相同电压条件下，刺激时间越长主动层变厚，相应被动层就变薄；相同时间条件下，电压越高，主动层就变厚，相应被动层就变薄。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的导电薄膜厚度范围为100～300nm。
4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述导电薄膜采用金属薄膜或具有导电能力的碳材料薄膜。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述导电薄膜采用金属薄膜或具有导电能力的碳材料薄膜。
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