CN1833352B - 致动器元件及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种能够在空气中或真空中稳定运行和低电压驱动的致动器元件。所述致动器元件包含由离子液体和聚合物的凝胶组合物组成的离子导电层(1)以及至少两个均由碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物组成并以相互绝缘状态形成在所述离子导电层(1)表面上的电极层(2),通过对电极层施加势差而引起弯曲和变形;或者所述致动器元件包含离子导电层(1)、至少两个以相互绝缘状态在所述离子导电层(1)表面上形成的电极层(2)和在所述电极层(2)表面上形成的导电层(3),通过对导电层施加势差而引起弯曲和变形。
Description
技术领域
本发明涉及电化学致动器元件及其生产方法。本文中的电化学致动器元件是指通过电化学过程例如电化学反应、双电层的充电/放电等驱动的元件。
背景技术
在医疗器械、工业和个人机器人以及微型机械等领域中,对于小型、轻质、高柔韧性致动器的需求持续增加。
当致动器被生产成小尺寸时,由于摩擦和粘性力相对于惯性力变得占优势,因此难以将通过惯性力来将能量转化成运动的马达、引擎以及类似机械装置用作这种小型致动器的动力源。因此,已经提出将静电吸引、压电、超声波、形状记忆合金和聚合物膨胀/收缩作为小型致动器的运行原理。
但是,这种小型致动器的问题在于,例如它们的运行环境受限制,响应性不足,结构复杂和柔韧性欠缺。因此这种致动器的应用受到限制。
为了解决这样的问题和扩大这种小型致动器的应用,已经开发出聚合物致动器,该致动器可以在低电压下驱动,表现出快速的响应,具有高柔韧性,可以容易地制成小尺寸并减轻重量,以及在小电力下运行。这种聚合物致动器大致分为两种,即,利用由电子导电聚合物电解质例如聚吡咯或聚苯胺中的还原/氧化所导致的膨胀/收缩的聚合物致动器(电子导电聚合物致动器),和由离子交换膜和安置在其上的电极构成的聚合物致动器,这种聚合物致动器由于响应对处于含水状态中的离子交换膜所施加的势差而发生离子交换膜的弯曲和变形,从而可以用作致动器(离子导电聚合物致动器)。
在这些致动器中,电子导电聚合物致动器优点在于能够在低电压下驱动、大幅度膨胀/收缩和产生高压。但是,它们的响应慢,以及生产最有利的聚吡咯的唯一方法是电解聚合。而且,已经指出,由于响应是由基于氧化还原反应的掺杂和未掺杂离子所引起,因此它们重复使用的耐久性在理论上是成问题的。
为了克服这些问题,已经提出一种致动器,其中采用碳纳米管制成的纸的形式的电极由于双层充电/放电而产生的界面应力变化而进行膨胀/收缩(参见非专利文献1)。考虑到双层充电/放电的原理,该致动器应该具有快响应和长寿命。而且,已经证实该致动器产生了大压力。但是,膨胀/收缩的幅度小,并且生产方法涉及长时间的过滤,这是非常复杂的操作。另外,该致动器具有低机械强度并且仅在电解质溶液中运行。
现有技术的电子导电聚合物致动器和离子导电聚合物致动器需要电解质来运行,并因此大多用在电解质水溶液中。离子导电聚合物致动器只有在离子交换树脂被水溶胀的条件下才表现出充分的离子导电性,因此通常在水中使用。在空气中使用这种制动器需要防止水蒸发。为此已经提出树脂涂覆法。然而,由于完全涂覆很难,甚至少量由电极反应产生的气体就使涂层破裂,而且涂层本身就起抵抗响应变形的作用,因此目前该方法没有实际应用。虽然高沸点有机溶剂例如碳酸异丙烯酯可用于替代水,但这种溶剂引起类似的问题,并且其进一步的问题在于既没有水那样的离子导电性也没有水那样的响应性。
因此,现有技术的致动器主要仅用于有限的环境中,即,电解质溶液中,因此它们的应用非常有限。开发可在空气中运行的致动器是将小型致动器用于大范围应用的重点。
有一些在空气中运行的致动器的实例,其中电子导电聚合物被置于离子交换树脂的两侧,或者导电聚合物被置于含有高沸点有机溶剂例如碳酸异丙烯酯的凝胶膜上,这些实例利用置于基底两侧的电极的膨胀和收缩而用作致动器元件。由于具有离子导电聚合物致动器,这些实例没有克服溶剂蒸发和低离子导电性的问题,不能作为基础溶液。
为了解决这些问题,近来已经进行了利用盐的应用研究,所述盐在包括常温(室温)的宽温度范围内处于熔融态,通常称为离子液体并叫做室温熔盐或仅仅叫做熔盐。离子液体具有可忽略的蒸汽压,因而不存在溶剂蒸发。
为了电子导电聚合物致动器在空气中运行,已经对离子液体中导电聚合物的膨胀/收缩(非专利文献2)和使用聚吡咯、离子液体和聚偏二氟乙烯的络合物的全固态元件(非专利文献3)进行了研究。但是,这些研究仍没有解决上述由于导电聚合物所产生的基本问题,即慢响应性、生产方法和寿命。
非专利文献1:Science,Vol.284,1999,p.1340
非专利文献2:Science,Vol.297,2002,p.983
非专利文献3:Electrochimica Acta,Vol.48,2003,p.2355。
发明内容
本发明解决的问题
本发明的目的是提供能够低电压驱动的致动器元件,该致动器元件稳定工作在在空气和真空中,生产方法极为简单,重复使用寿命长,由于它的柔韧性和简单结构使得可容易地生产为小尺寸,该致动器具有快速响应性并可用于广泛的应用中。
解决问题的方法
本发明人进行了广泛的研究并发现可以得到一种新型致动器元件,当将由碳纳米管和离子液体形成的凝胶用作具有导电性和膨胀性/收缩性的活性层时,该致动器元件可在空气中和真空中运行,从而实现本发明。
具体地,本发明提供用于致动器元件的导体材料、用于致动器元件的电极层、用于致动器元件的离子导电层、致动器元件和生产致动器元件的方法。
1.用于致动器元件的导体材料,
该导体材料包含含有碳纳米管和离子液体的凝胶。
2.用于致动器元件的电极层,
该电极层包含含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物。
3.用于致动器元件的离子导电层,
该离子导电层包含含有离子液体和聚合物的凝胶组合物。
4.致动器元件,其中在包含含有离子液体和聚合物的凝胶组合物的离子导电层表面上形成至少两个电极层,所述电极层的每一个相互绝缘并包含含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物。
该致动器元件通过在电极层之间产生势差而能够弯曲或变形。
5.项目4的致动器元件的生产方法,包括通过浇注、涂覆、印刷、挤出或注射,将包含碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物与包含离子液体和聚合物的凝胶组合物层压,从而形成电极层和离子导电层的步骤。
6.致动器元件,其中在包含含有离子液体和聚合物的凝胶组合物的离子导电层表面上形成至少两个电极层,且在每个电极层表面上形成导电层,所述电极层的每一个相互绝缘并包含含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物。
该致动器元件通过在导电层之间产生势差而能够弯曲或变形。
7.项目6的致动器元件的生产方法,包括通过浇注、涂覆、印刷、挤出或注射,将包含碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物与包含离子液体和聚合物的凝胶组合物层压,从而形成电极层和离子导电层的步骤。
下面详细描述本发明。
可用于本发明的离子液体是称作室温熔盐或仅仅称作熔盐的盐,它们在包括常温(室温)的宽温度范围内处于熔融态。
虽然多种已知的离子液体可用于本发明,但是优选在常温(室温)和常温(室温)附近是液态且稳定的离子液体。在本发明中优选具有0.1sm-1或更大的导电率的室温熔盐。
式(I)
式(II)
式(III)
[NRxH4-x]+(III)
式(IV)
[PRxH4-x]+(IV)
在上式(I)-(IV)中,R是C1-12烷基或共有3-12个碳原子和氧原子的含醚键的烷基。在式(I)中,R1是C1-4烷基或氢原子。在式(I)中,R和R1优选不相同。在式(III)和(IV)中,x均为l-4的整数。
选自以下集合的至少一个成员优选作为阴离子(x-):四氟硼酸阴离子、六氟磷酸阴离子、二(三氟甲基磺酰)亚胺酸阴离子、高氯酸阴离子、三(三氟甲基磺酰)碳酸阴离子、三氟甲基磺酸阴离子、二氰胺阴离子、三氟乙酸阴离子、有机羧酸阴离子和卤素离子。
用于本发明的碳纳米管是通过卷曲石墨片(graphene sheet)而采取柱体形式形成的碳材料,根据壁结构,它们大致分为单壁纳米管(SWNT)和多壁纳米管(MWNT)。根据石墨片的结构已知多种类型的碳纳米管,例如手性(螺旋)纳米管、锯齿型纳米管、扶手椅型纳米管等。只要包含在术语碳纳米管范围内,任何碳纳米管均可用于本发明。通常,与具有大长径比的单壁纳米管即窄长的单壁纳米管形成凝胶是容易的。因此,由SWNT形成凝胶组合物对本发明有利。实际应用的碳纳米管的优选实例是HiPco(商品名,Carbon Nanotechnology Incorporated制造),其可以利用一氧化碳作为原材料来相对大量地生产。当然,实例并不限于HiPco。
在制备凝胶组合物中,可用于本发明的聚合物的实例是聚偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物[PVDF(HFP)]、聚偏二氟乙烯(PVDF)、全氟磺酸(Nafion)、聚(甲基丙烯酸-2-羟乙酯)(PHEMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)等。
图1表示本发明的致动器元件实施例的结构(横截面)示意图。图1(A)表示3层的致动器元件,其中由含有离子液体和聚合物的凝胶组合物形成的离子导电层1夹在电极层2和2之间,电极层2由含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物形成。设置电极层2和2以使其相互绝缘。图1(B)表示5层的致动器元件,其中导电层3和3进一步设置在电极层2和2的外侧以增加电极的表面导电性。
用于形成电极层2和2的凝胶组合物含有碳纳米管、离子液体和聚合物。碳纳米管凝胶由碳纳米管和离子液体形成,然后将聚合物引入到凝胶中以提高机械强度,从而制成凝胶组合物。
在离子液体存在下,通过对碳纳米管施加剪切力来制备由碳纳米管和离子液体形成的凝胶。碳纳米管的比例优选为碳纳米管/凝胶=1-40wt.%,更优选碳纳米管/凝胶=5-20wt.%。由碳纳米管和离子液体形成的凝胶是特殊材料,其中碳纳米管微细分散而不丧失其特性,并且凝胶是不挥发、不可燃和热稳定性高的。
当通过将聚合物引入到碳纳米管凝胶中以提高机械强度来制备具有导电性和能对电响应而进行膨胀/收缩的电极层时,碳纳米管凝胶相对聚合物的比例(基于重量)优选为凝胶∶聚合物=1∶2-4∶1,更优选为凝胶∶聚合物=1∶1-2∶1。当引入聚合物时,4-甲基-戊-2-酮等可用作溶剂。
用于形成离子导电层1的凝胶组合物由离子液体和聚合物构成。制备该凝胶组合物时,离子液体相对聚合物的比例(基于重量)优选为离子液体∶聚合物=1∶2-4∶1,更优选为离子液体∶聚合物=1∶1-2∶1。当混合离子液体与聚合物时,4-甲基-戊-2-酮等可用作溶剂。
例如可以根据以下方法通过在离子导电层1的表面上形成电极层2和2来制备致动器元件,所述方法是通过浇注、蒸发除去溶剂和干燥膜来使每层的凝胶组合物相继转变成膜。
离子导电层1的单个厚度和每个电极层2的厚度优选为10-500μm,更优选50-200μm。通过旋涂、印刷、喷雾等方法可以使每层的凝胶组合物转变成膜。也可以使用挤出、注射等方法。
当配置导电层3时,可以使用压、浇注等方法放置碳纳米管纸,使用溅射、气相沉积等方法布置贵金属层,使用喷雾、印刷等方法涂覆碳糊。在这些方法中,优选通过溅射来布置贵金属层。每个导电层3的厚度优选为10-50μm。
至于因此所得的致动器元件,当在电极之间施加0.5-3V的直流电压时,可以在几秒钟内获得约0.5-约1倍元件长度的位移。而且,该致动器元件可以在空气中和真空中柔性运行。
参考图2可以解释致动器元件运行的原理。当在置于离子导电层1表面上的相互绝缘的电极层2和2上产生势差时,在电极层2和2中的碳纳米管相和离子液体相之间的界面处形成双电层,电极层2和2根据双电层所产生的界面应力膨胀或收缩。在图2中,膜沿正电极方向弯曲。这大概是因为由于量子化学效应而导致碳纳米管在负电极侧发生更大的伸长,并且在目前常用的离子液体中阳离子4的离子半径大,由于位阻效应而在负电极侧产生更大的伸长。在图2中,“4”表示离子液体的阳离子,“5”表示离子液体的阴离子。
根据上述方法获得的致动器元件可对一些技术领域有贡献,在这些技术领域中,由于由碳纳米管和离子液体形成的凝胶的有效界面面积非常大并由此在界面双电层处具有小阻抗,因此可以有利地使用碳纳米管的电膨胀/收缩性质。此外,从机械角度讲,界面处的粘合得以增强并且元件的耐久性得到提高。因此,可以获得在空气中和在真空中表现出良好响应性、产生大位移并且耐久的元件。此外,该元件的结构简单,而且该元件可容易地制成小尺寸并且可利用很小的电力运行。
由于本发明的致动器元件在低电压条件下可在空气中和在真空中柔性工作并具有良好耐久性,因此适合用作下列机器人的致动器:需要安全地与人交互作用的机器人(例如用作家用机器人、机器人宠物、娱乐机器人和类似的个人机器人的致动器);工作在特定环境例如太空、真空室、救生等的机器人;医用/公益自动机械例如外科手术元件、肌肉装束(muscle suit);微型机械等。
具体地,对用于样品传送(specimen conveyance)和在真空环境和超净环境下的材料生产中定位以获得高纯度产品的致动器的需求持续增加。利用不挥发的离子液体生产的本发明的致动器元件可用作无污染致动器,用于在真空环境中进行加工。
当必须将至少两个电极层置于离子导电层的表面时,如图3中所示,在平面离子导电层1的表面上布置一些电极层2允许致动器元件执行复杂的运动。这种元件可通过蠕动而传送并且使得可以生产显微操纵器。本发明的致动器元件的形状不限于平面形状,并且该元件可容易制成任意所需的形状。例如,如图4所示的元件具有围绕约1mm直径的杆状离子导电层1布置的四个电极层2。这种元件允许生产可以插入到窄管中的致动器。
发明效果
本发明的致动器元件在空气中和真空中稳定运行并且可在低电压下驱动。此外,可以根据简单的工艺生产所述致动器,该致动器表现出具有大位移力的大位移程度,可以容易地制成为小尺寸,具有快速的响应并可进行柔性操作。
附图说明
图1(A)是本发明致动器元件的一个实施例的结构示意图(3层结构)。图1(B)是本发明致动器元件的另一个实施例的结构示意图(5层结构)。
图2示出本发明致动器元件的运行原理。
图3是本发明致动器元件的另一个实施例的示意图。
图4是本发明致动器元件的另一个实施例的示意图。
图5是位移测量装置的示意图。
图6是表示实施例1的3层膜的响应性的图。
图7是表示实施例1的3层膜的响应性的其它图。
图8是表示实施例1的3层膜的响应性的其它图。
图9是表示实施例2的5层膜的响应性的图。
图10是表示实施例2的5层膜的响应性的其它图。
图11是表示实施例3的5层膜的响应性的图。
图12是表示实施例3的5层膜的响应性随时间变化的图。
附图标记说明
1离子导电层
2电极层
3导电层
4离子液体阳离子
5离子液体阴离子
具体实施方式
下面给出实施例以详细说明本发明。
在实施例中,将由下式表示的聚偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物[PVDF(HFP)]用作聚合物。
在实施例中,以Me为甲基,将由下式表示的咪唑盐用作离子液体,其中R是丁基,阴离子X-是六氟磷酸盐(PF6 -)(这种烷基咪唑盐下文中可被称为BMIPF6);R是乙基,阴离子x-是二(三氟甲基磺酰)亚胺[(CF3SO2)2N-](该烷基咪唑盐下文中可被称为EMITFSI);和R是丁基,阴离子x-是四氟硼酸盐(BF4 -)(该烷基咪唑盐下文中可被称为BMIBF4)。
用于实施例中的碳纳米管是单壁碳纳米管(商品名“HiPco”,CarbonNanotechnology Incorporated制造)(下文中有时被称为SWNT)。
用于实施例中的溶剂是4-甲基.戊-2-酮(下文中有时被称为MP)。
用于实施例中的碳纳米管纸制备如下:在超声清洁器中施加超声波2小时将单壁碳纳米管分散于pH10的TritonX-100水溶液(0.5vol.%)中(0.6mg/ml)。将50ml的分散液利用聚四氟乙烯(PTFE)过滤器吸滤,然后用大量过量的水和甲醇洗涤。将所得物质自然干燥并从过滤器中移除,从而得到其中自支撑碳纳米管缠结的纸状碳纳米管纸(厚度:约50μm)。用测试器测量的表面阻抗为在约1cm距离上小于几欧姆。
通过下列过程来进行响应性评估:将在实施例中制备的3层膜和5层膜切成多个1mm宽和15mm长的小片,用装配有电极的夹持器在距离短侧边缘3mm处夹在一个这样的小片,如图5所示,在空气中施加电压,并用激光位移计在距固定边缘10mm处测量位移。同时测量电压和电流。
实施例1
[由离子液体(BMIPF6)的PVDF(HFP)凝胶和相同离子液体的碳纳米管凝胶组成的3层膜]
(1)单壁碳纳米管(SWNT)和BMIPF6凝胶的制备
将SWNT(28mg)在BMIPF6(509mg)中捏合15分钟,由此形成含5wt.%SWNT的凝胶。由于捏合,离子液体被碳纳米管凝胶化。
(2)离子液体的PVDF(HFP)凝胶夹在SWNT凝胶之间的3层凝胶膜的制备
将在上文(1)中制备的SWNT凝胶(73mg)、聚合物[PVDF(HFP)](71mg)和MP(0.8ml)混合同时在70-80℃加热,由此生成用于第一和第三层(电极层)的凝胶组合物。通过混合BMIPF6(70mg)、PVDF(HFP)(70mg)和MP(0.4ml)同时在70-80℃加热来制备用于形成夹在电极层之间的第二层(离子导电层)的凝胶组合物。用于第一层的凝胶组合物被浇到基底上,利用调整垫(spacer)作为导向装置来整平,并干燥几分钟。堆叠另一调整垫,浇注用于第二层的凝胶组合物然后整平。类似地制成第三层,整个膜前体自然干燥一整天然后真空干燥,由此制成3层凝胶膜。
(3)3层膜的响应性的评估
利用激光位移计根据上述方法来进行响应性的评估。图6从上而下包含分别表示紧随在施加0.1Hz和4Vp.-p.的方波电压之后的电压、电流和位移图。纵轴从上而下表示电压/V、电流/mA和位移/mm。横轴表示时间/秒。唯一的电流是电容器的充电电流。从表示位移的图可以理解,当施加电压时3层膜在正电极的方向上弯曲。图7示出连续施加电压30分钟后的响应,其它类似于图6。它表明响应变化很小。考虑到当使其中使用离子交换树脂的致动器由于水蒸发导致维持不超过30分钟就丧失响应,这种小的响应变化大概是由于离子液体的不挥发特性所致。至于寿命,连续运行超过约9000个循环而没有引起劣化。图8示出当改变4Vp.-p.方波电压的频率时的位移响应。这些图从上而下分别表示0.1Hz、1Hz、2Hz和4Hz。从这些图可以理解,膜可以响应至多约几十个Hz。
表1示出施加的0.1Hz方波电压的强度(峰-峰)和相应的响应位移(峰-峰)。
表1
实施例2
[通过使由离子液体(EMITFSI)的PVDF(HFP)凝胶和相同离子液体的碳纳米管凝胶组成的3层膜与碳纳米管纸压合来制备的5层膜
(1)单壁碳纳米管(SWNT)和EMITFSI凝胶的制备
将SWNT(21mg)在EMITFSI(86mg)中捏合15分钟,由此形成含20wt.%SWNT的凝胶。
(2)离子液体的PVDF(HFP)凝胶夹在SWNT凝胶之间的3层凝胶膜的制备
以与实施例1中一样的方法制备3层凝胶膜。对于第一和第三层(电极层),使用上文(1)中制备的SWNT凝胶(105mg)、聚合物[PVDF(HFP)](54mg)和MP(1.0ml)。对于夹在电极层之间的第二层(离子导电层),混合EMITFSI(160mg)、PVDF(HFP)(80mg)和MP(0.7ml)。
(3)5层膜的制备
在上文(2)中制备的3层凝胶膜的每一侧压合有碳纳米管纸(导电层)。
(4)5层膜的响应性的评估
如在实施例1中一样进行响应性的评估。图9从上而下包含分别示出紧随在施加0.1Hz和4Vp.-p.的方波电压之后的电压、电流和位移图。虽然该响应类似于在实施例1中得到的响应,但电流和位移明显大于实施例1中的电流和位移。这大概是由于碳纳米管纸的高导电性。图10示出当改变4Vp.-p.方波电压的频率时的位移响应。左上图(A)对应0.1Hz,左下图(B)对应1Hz,右上图(C)对应2Hz,右下图(D)对应5Hz。从这些图可以理解,响应性远优于实施例1的膜。
表2示出施加的0.1Hz方波电压的强度(峰-峰)和相应的响应位移(峰-峰)。
表2
实施例3
[通过浇铸制备的5层膜]
(1)单壁碳纳米管(SWNT)和离子液体(BMIBF4)凝胶的制备
将SWNT(41mg)在BMIBF4(164mg)中捏合15分钟,由此形成含20wt.%SWNT的凝胶。
(2)通过浇铸制备膜
利用碳纳米管纸作为导电层3和3,使下列成分经浇铸成膜。
第一和第五层(导电层):碳纳米管纸;
第二和第四层(电极层):上文(1)中制备的SWNT凝胶(129mg)、聚合物[PVDF(HFP)](65mg)和MP(1.5ml);
第三层(离子导电层):BMIBF4(149mg)、聚合物[PVDF(HFP)](75mg)和MP(0.7ml)。
将所得材料经空气干燥随后真空干燥以去除溶剂,由此制得5层膜。
(3)5层膜的响应性和寿命的评估
如在实施例1中一样进行响应性的评估。在图1l中,左列、右列分别是对0.1Hz方波电压响应获得的电流和位移。图1l从上而下分别示出对2Vp.-p.方波电压的响应、对3Vp.-p.方波电压的响应、对4Vp.-p.方波电压的响应、对5Vp.-p.方波电压的响应和对6Vp.-p.方波电压的响应。可以理解,导电层的存在降低阻抗,产生良好的响应特性。图12示出寿命测量的结果,其中0.1Hz和4Vp.-p.方波电压连续施加24小时。在图12中,施加电压时获得的电流和位移的峰-峰值从施加电压开始相对于时间作图。该图表明,虽然电流稍有下降,但它的变化不大。在最初的几个小时位移下降程度很大,但是其后减少的程度较小。就该图而论,还认为在该实施例中获得的膜具有足以使用超过24小时(超过9000个循环)的寿命。如上所述,与实施例2中压合有碳纳米管纸的膜相比,在该实施例中获得的膜具有相同的响应性,但是该实施例中所得膜的寿命远远占优势。
表3示出施加的0.1Hz方波电压的强度(峰-峰)和相应的响应位移(峰-峰)。
表3
实施例4
[通过浇铸制备的3层膜(样品A);根据金溅射为3层膜提供导电层而制备的5层膜(样品B);通过将碳糊涂覆到3层膜以生成导电层而制备的5层膜(样品c)]
[样品A:通过浇铸制备的3层膜]
(1)单壁碳纳米管(SWNT)和离子液体(BMIBF4)凝胶的制备
将SWNT(63mg)在BMIBF4(245mg)中捏合15分钟,由此形成含21wt.%SWNTs的凝胶。
(2)经浇铸成膜
利用以下成分经浇铸成膜。
第一和第三层(电极层):上文(1)中制备的SWNT凝胶(160mg)、聚合物[PVDF(HFP)](80mg)和MP(1.5ml);
第二层(离子导电层):BMIBF4(163mg)、聚合物IPVDF(HFP)](82mg)和MP(0.6ml)。
将所得材料经空气干燥随后真空干燥以去除溶剂,由此制得3层凝胶膜。l样品B:通过溅射为3层膜提供金导电层而制备的5层膜1
(1)单壁碳纳米管(SWNT)和离子液体(EMITFSI)凝胶的制各
将SWNT(65mg)在EMITFSI(246mg)中捏合15分钟,由此形成含21wt.%SWNT的凝胶。
(2)经浇铸成膜
利用以下成分经浇铸成膜。
第一和第三层(电极层):上文(1)中制备的SWNT凝胶(163mg)、聚合物[PVDF(HFP)](82rug)和MP(1.2mi);
第二层(离子导电层):EMITFSI(161mg)、聚合物PVDF(HFP)(80mg)和MP(0.6ml)。
将所得材料经空气干燥随后真空干燥以去除溶剂,由此制得3层凝胶膜。
(3)5层膜的制备
通过溅射将金涂覆到上文(2)中制备的3层膜的每一侧以形成导电层(利用溅射装置产生扫描电子显微样品,每一侧20mA持续20分钟)。
[样品C:通过将碳糊涂覆到3层膜以产生导电层而制备的5层膜]
(1)5层膜的制备
将用甲苯稀释的碳糊(商品名“Dotite XC-32”,Fujikura Kasei Co.,Ltd.制造)喷射到样品A的3层凝胶膜的每一侧然后干燥以提供导电层。
表4示出施加到上文所制备的样品A、B和C上的0.1Hz方波电压的强度(峰-峰)及其相应的响应位移(峰-峰)。
表4
Claims (6)
1.用于致动器元件的电极层,所述电极层包含含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物。
2.用于致动器元件的离子导电层,所述离子导电层包含含有离子液体和聚合物的凝胶组合物。
3.一种致动器元件,其中在包含含有离子液体和聚合物的凝胶组合物的离子导电层的表面上形成至少两个电极层,所述电极层均相互绝缘并包含含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物,
所述致动器元件能够通过在电极层之间产生势差而弯曲或变形。
4.生产权利要求3的致动器元件的方法,所述方法包括通过浇铸、涂覆、印刷、挤出或注射来将包含碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物与包含离子液体和聚合物的凝胶组合物层压来形成电极层和离子导电层的步骤。
5.一种致动器元件,其中在包含含有离子液体和聚合物的凝胶组合物的离子导电层表面上形成至少两个电极层,且在每个电极层表面上形成导电层,所述电极层均相互绝缘并包含含有碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物,
所述致动器元件能够通过在导电层之间产生势差而弯曲或变形。
6.生产权利要求5的致动器元件的方法,所述方法包括通过浇铸、涂覆、印刷、挤出或注射来将包含碳纳米管、离子液体和聚合物的凝胶组合物与包含离子液体和聚合物的凝胶组合物层压来形成电极层和离子导电层的步骤。
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Takanori Fukushima等.molecular ordering of organic molten salts triggered by single-walled carbon nanotubes.scienceVol 300.2003,Vol 3002072-2074. |
Takanori Fukushima等.molecular ordering of organic molten salts triggered by single-walled carbon nanotubes.scienceVol 300.2003,Vol 3002072-2074. * |
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