CN112406252B - 基于c-cnc纤维素的高性能电驱动ipmc柔性驱动器的制备方法 - Google Patents

基于c-cnc纤维素的高性能电驱动ipmc柔性驱动器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柔性材料领域。技术方案是：基于C‑CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：1)将C‑CNC纤维素溶液20‑25重量份、蒸馏水30‑35重量份、1‑乙基‑3‑甲基离子液体0.5重量份混合后形成混合溶液；2)将混合溶液密封搅拌，搅拌时间为3‑4h；3)将石墨烯0.5‑0.6重量份加入混合溶液中，先冰浴再振荡，冰浴时间为10‑20分钟，振荡温度为25‑35℃，振荡时间为240‑300min；4)将混合溶液密封搅拌，搅拌时间为0.5‑1h；5)将混合溶液进行超声波处理，超声波处理时间为60‑120min。该方法应能制备出可快响应、大变形、高性能的驱动器。

Description

基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备 方法
技术领域
本发明涉及柔性材料领域，具体是涉及一种基于C-CNC维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法。
背景技术
电活性聚合物(EAP)是一种新型柔性智能材料，具有特殊的电性能和机械性能。这种聚合物在受到低电压刺激后，就会产生微小形变，由于其致动性能与生物肌肉类似，且生物相容性较好，也被称为“人造肌肉”。离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是电活性聚合物(EAP)其中的一种新型智能柔性材料，由基体交换膜、上下表面金属电级组成。作为一种新型的智能柔性材料，IPMC结构简单、性能稳定可靠、驱动电压低，在外加电场的作用下，基体交换膜内的水合阳离子向阴极迁移，阴极发生溶胀而阳级发生缩水，薄膜就会向阳级的方向发生弯曲。
目前，以Nafion薄膜为基础的柔性驱动器的发展并不完善，很难实现大角度的变形和快速的响应，极大程度地限制了Nafion驱动器的发展和应用。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，该方法应能制备出可快响应、大变形、高性能的驱动器。
本发明的技术方案是：
基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
1)将C-CNC纤维素溶液20-25重量份、蒸馏水30-35重量份、1-乙基-3-甲基离子液体0.5重量份混合后形成混合溶液；
2)将混合溶液密封搅拌，搅拌时间为3-4h；
3)将石墨烯0.5-0.6重量份加入混合溶液中，先冰浴再振荡，冰浴时间为10-20分钟，振荡温度为25-35℃，振荡时间为240-300min；
4)将混合溶液密封搅拌，搅拌时间为0.5-1h；
5)将混合溶液进行超声波处理，超声波处理时间为60-120min，超声波处理温度为35-45℃；
6)将混合溶液进行真空干燥，真空干燥时间为24-50min，真空干燥温度为45-55℃；
7)将溶液倒入模具内，然后真空干燥，真空干燥时间为16-24h，真空干燥温度为45-55℃，再将模具在室温下静置得到基体交换膜，从模具中取出基体交换膜；
8)将C-CNC纤维素溶液倒入模具内，然后真空干燥，真空干燥时间为16-24h，真空干燥温度为45-55℃，再将模具在室温下静置得到电极膜，从模具中取出电极膜；
9)将电极膜、基体交换膜裁剪成相同形状，将一片基体交换膜放在两片电极膜之间，热压处理6-8h，得到IPMC柔性驱动器。
所述模具上设有用于盛放溶液凹槽，凹槽的深度为1-2mm。
所述C-CNC纤维素溶液的体积浓度为6-10％。
所述石墨烯的纯度为1％。
所述1-乙基-3-甲基离子液体的体积浓度为0.5-1.5％。
本发明的有益效果是：
本发明以C-CNC纤维素制备的基体交换膜为基体，采用热压法将已经制备好的电极膜分别压在基体交换膜两侧，极大地降低了制备驱动器的时间成本和经济成本，与用传统的方式制备的驱动器相比具有更好的性能，在8-10V、10-50mHz的电压驱动下，就可以产生较大的形变和位移，并且响应速度较块，可以同时实现大变形和快速响应，在仿生机器人、柔性机器人、人造肌肉、传感器等多个领域具有广阔的应用前景和使用价值。
附图说明
图1是IPMC柔性驱动器的工作原理图之一(未通电)。
图2是IPMC柔性驱动器的工作原理图之二(通电)。
图3是本发明的制备流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例一
基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
1)取C-CNC纤维素溶液20g放入烧杯，添加蒸馏水30g，再用注射器将1-乙基-3-甲基离子液体0.5g添加到烧杯中，形成混合溶液(参见图3中的A图)；C-CNC纤维素溶液的体积浓度为6％；1-乙基-3-甲基离子液体的体积浓度为0.5％；
2)用镊子将磁导体放入烧杯的混合溶液中，并用密封膜将烧杯口密封，再把烧杯放在磁导体搅拌仪上搅拌3h(参见图3中的B图)；
3)取出磁导体，将石墨烯0.5g添加到完成搅拌的混合溶液中，再将整个烧杯放入冰水大烧杯中，并在大烧杯中放入冰袋，对烧杯内的混合溶液进行10分钟冰浴，然后把烧杯放在振荡仪中(把温度传感器放入烧杯内混合溶液的2/3深度处)，开启振荡仪振荡300min，振荡仪的调制功率为20％，振荡温度控制为30℃(参见图3中的C图)；
4)用镊子将磁导体放入烧杯的混合溶液中，用密封膜将烧杯口密封，将烧杯放在磁导体搅拌仪上搅拌0.5h(参见图3中的D图)；
5)取出磁导体，将烧杯放在超声波处理器内，连续进行2次超声波处理(参见图3中的E图)，每次30min，超声波处理的调制温度为35℃；
6)将混合溶液从烧杯倒入锥口烧瓶中并放入真空干燥器内(参见图3中的F图)，将温度控制为50℃，开启连接真空干燥器抽气泵，将仪器内气体抽出，使溶液内细胞热运动加剧，不断生产气泡，甚至从瓶口溢出，此过程连续3次，每次8min，不再有气泡产生时说明去气泡成功；
7)将混合溶液倒入模具的凹槽中，将模具放置于真空干燥箱内(参见图3中的G图)，将温度控制为50℃，干燥处理16h，直至溶液干燥完成，再将模具在室温下静置0.5h得到基体交换膜，用镊子轻轻取出基体交换膜，并裁剪成边长为50mm的正方形；
8)将C-CNC纤维素溶液倒入模具的凹槽中，将模具放置于真空干燥箱内，将温度控制为50℃，干燥时间为16h，直至溶液干燥完成，再将模具在室温下静置0.5h得到电极膜，用镊子轻轻取出电极膜(参见图3中的H图)，并裁剪成边长为50mm的正方形；
9)将一片基体交换膜放在两片电极膜中间(参见图3中的I图)，用热压器将三层膜热压6h，直至三层膜完成贴合在一起，得到IPMC柔性驱动器；
10)将IPMC柔性驱动器中电极膜的四周边沿剪去，避免IPMC柔性驱动器发生短路，将IPMC柔性驱动器放入存储仪器以供后期实验测试所用。
实施例二
基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
1)取C-CNC纤维素溶液22g放入烧杯，添加蒸馏水33g，再用注射器将1-乙基-3-甲基离子液体0.5g添加到烧杯中，形成混合溶液；C-CNC纤维素溶液的体积浓度为8％；1-乙基-3-甲基离子液体的体积浓度为1.5％；
2)用镊子将磁导体放入烧杯的混合溶液中，并用密封膜将烧杯口密封，再把烧杯放在磁导体搅拌仪上搅拌3.5h；
3)取出磁导体，将石墨烯0.55g添加到完成搅拌的混合溶液中，再将整个烧杯放入冰水大烧杯中，并在大烧杯中放入冰袋，对烧杯内的混合溶液进行15分钟冰浴，然后把烧杯放在振荡仪中(把温度传感器放入烧杯内混合溶液的2/3深度处)，开启振荡仪振荡240min，振荡仪的调制功率为20％，振荡温度控制为25℃；
4)用镊子将磁导体放入烧杯的混合溶液中，用密封膜将烧杯口密封，将烧杯放在磁导体搅拌仪上搅拌0.7h；
5)取出磁导体，将烧杯放在超声波处理器内，连续进行3次超声波处理，每次35min，超声波处理的调制温度为40℃；
6)将混合溶液从烧杯倒入锥口烧瓶中并放入真空干燥器内，将温度控制为45℃，开启连接真空干燥器抽气泵，将仪器内气体抽出，使溶液内细胞热运动加剧，不断生产气泡，甚至从瓶口溢出，此过程连续4次，每次9min，不再有气泡产生时说明去气泡成功；
7)将混合溶液倒入模具的凹槽中，将模具放置于真空干燥箱内，将温度控制为45℃，干燥处理20h，直至溶液干燥完成，再将模具在室温下静置0.5h得到基体交换膜，用镊子轻轻取出基体交换膜，并裁剪成边长为50mm的正方形；
8)将C-CNC纤维素溶液倒入模具的凹槽中，将模具放置于真空干燥箱内，将温度控制为45℃，干燥时间为20h，直至溶液干燥完成，再将模具在室温下静置0.5h得到电极膜，用镊子轻轻取出电极膜，并裁剪成边长为50mm的正方形；
9)将一片基体交换膜放在两片电极膜中间，用热压器将三层膜热压7h，直至三层膜完成贴合在一起，得到IPMC柔性驱动器；
10)将IPMC柔性驱动器中电极膜的四周边沿剪去，避免IPMC柔性驱动器发生短路，将IPMC柔性驱动器放入存储仪器以供后期实验测试所用。
实施例三
基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
1)取C-CNC纤维素溶液25g放入烧杯，添加蒸馏水35g，再用注射器将1-乙基-3-甲基离子液体0.5g添加到烧杯中，形成混合溶液；C-CNC纤维素溶液的体积浓度为10％；1-乙基-3-甲基离子液体的体积浓度为1％；
2)用镊子将磁导体放入烧杯的混合溶液中，并用密封膜将烧杯口密封，再把烧杯放在磁导体搅拌仪上搅拌4h；
3)取出磁导体，将石墨烯0.6g添加到完成搅拌的混合溶液中，再将整个烧杯放入冰水大烧杯中，并在大烧杯中放入冰袋，对烧杯内的混合溶液进行20分钟冰浴，然后把烧杯放在振荡仪中(把温度传感器放入烧杯内混合溶液的2/3深度处)，开启振荡仪振荡270min，振荡仪的调制功率为20％，振荡温度控制为27℃；
4)用镊子将磁导体放入烧杯的混合溶液中，用密封膜将烧杯口密封，将烧杯放在磁导体搅拌仪上搅拌1h；
5)取出磁导体，将烧杯放在超声波处理器内，连续进行3次超声波处理，每次40min，超声波处理的调制温度为45℃；
6)将混合溶液从烧杯倒入锥口烧瓶中并放入真空干燥器内，将温度控制为55℃，开启连接真空干燥器抽气泵，将仪器内气体抽出，使溶液内细胞热运动加剧，不断生产气泡，甚至从瓶口溢出，此过程连续5次，每次10min，不再有气泡产生时说明去气泡成功；
7)将混合溶液倒入模具的凹槽中，将模具放置于真空干燥箱内，将温度控制为55℃，干燥处理24h，直至溶液干燥完成，再将模具在室温下静置0.5h得到基体交换膜，用镊子轻轻取出基体交换膜，并裁剪成边长为50mm的正方形；
8)将C-CNC纤维素溶液倒入模具的凹槽中，将模具放置于真空干燥箱内，将温度控制为55℃，干燥时间为24h，直至溶液干燥完成，再将模具在室温下静置0.5h得到电极膜，用镊子轻轻取出电极膜，并裁剪成边长为50mm的正方形；
9)将一片基体交换膜放在两片电极膜中间，用热压器将三层膜热压8h，直至三层膜完成贴合在一起，得到IPMC柔性驱动器；
10)将IPMC柔性驱动器中电极膜的四周边沿剪去，避免IPMC柔性驱动器发生短路，将IPMC柔性驱动器放入存储仪器以供后期实验测试所用。
上述实施例中，所述石墨烯的纯度为1％，所述模具上设有用于盛放溶液凹槽，凹槽的深度为1-2mm，凹槽的形状根据要需要而定。
本发明制得的IPMC柔性驱动器，能够在较低的电压下快速响应并产生较大的弯曲变形(参见图2)，离子交换过程使基体交换膜的阳离子(图1、图2中，阳离子用带有“+”号的圆圈表示，阴离子用带有“-”号的圆圈表示)向靠近阴极的电极膜扩散，与此同时，阳离子也会带动膜内的水分子向阴极一侧迁移，导致靠近阴极的电极膜吸水变膨胀，靠近阳极的电极膜失水收缩，使整个基体交换膜向阳级一侧弯曲，从而产生变形的驱动力。

Claims (2)

1.基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
1)将C-CNC纤维素溶液20-25重量份、蒸馏水30-35重量份、1-乙基-3-甲基离子液体0.5重量份混合后形成混合溶液；
2)将混合溶液密封搅拌，搅拌时间为3-4h；
3)将石墨烯0.5-0.6重量份加入混合溶液中，先冰浴再振荡，冰浴时间为10-20分钟，振荡温度为25-35℃，振荡时间为240-300min；
4)将混合溶液密封搅拌，搅拌时间为0.5-1h；
5)将混合溶液进行超声波处理，超声波处理时间为60-120min，超声波处理温度为35-45℃；
6)将混合溶液进行真空干燥，真空干燥时间为24-50min，真空干燥温度为45-55℃；
7)将溶液倒入模具内，然后真空干燥，真空干燥时间为16-24h，真空干燥温度为45-55℃，再将模具在室温下静置得到基体交换膜，从模具中取出基体交换膜；
8)将C-CNC纤维素溶液倒入模具内，然后真空干燥，真空干燥时间为16-24h，真空干燥温度为45-55℃，再将模具在室温下静置得到电极膜，从模具中取出电极膜；
9)将电极膜、基体交换膜裁剪成相同形状，将一片基体交换膜放在两片电极膜之间，热压处理6-8h，得到IPMC柔性驱动器；
所述C-CNC纤维素溶液的体积浓度为6-10％；
所述石墨烯的纯度为1％；
所述1-乙基-3-甲基离子液体的体积浓度为0.5-1.5％。
2.根据权利要求1所述的基于C-CNC纤维素的高性能电驱动IPMC柔性驱动器的制备方法，其特征在于：所述模具上设有用于盛放溶液凹槽，凹槽的深度为1-2mm。
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