CN103151453A

CN103151453A - 一种具有微纳表面织构的ipmc电致动材料的制备方法

Info

Publication number: CN103151453A
Application number: CN2013100781336A
Authority: CN
Inventors: 于敏; 何青松; 戴振东
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明提供一种具有一种具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法。在IPMC基底膜上通过磨粒研磨形成方向一致的纳米级表面沟痕，在纳米级表面沟痕基础上，通过热压成型工艺形成方向一致的微米级表面沟槽。通过微米纳米表面织构协同作用，增加Nafion膜表面处理后表面积，生成致密金属电极层，降低了表面电阻，提高了IPMC电致动驱动材料驱动性能，具有较大的输出力和输出位移。

Description

一种具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法。

背景技术

离子聚合物金属复合材料（ionic polymer metal composite, IPMC）是一种新型的电致动聚合物材料，又被称为“人工肌肉”，它是在全氟磺酸离子聚合物（如Nafion膜，Flemion膜）的基材表面沉积铂、金等贵金属而获得的有机-无机复合材料。IPMC在低电压下激励下能产生超过90℃的弯曲变形，其电致动变形机制源于阳离子的电泳现象，在外加电场的作用下，基材中的阳离子与水分子结合在一起迁移到阴极，导致阳离子含水量减少，阴极含水量增加，使IPMC变形。和压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩材料等驱动材料的性能相比，IPMC具有质量轻、驱动电压低、位移大、无噪音和能量密度高等优点，在微器件驱动（如体内检测机器人、光机电***、微型机器人等）方面具有巨大的应用潜力。但是输出力较低限制了IPMC的进一步应用，因此不少研究致力于通过优化制备工艺来提高IPMC的输出力，比如优良金属电极的制备、浇注厚的Nafion膜，提高薄膜含水量和增加Nafion膜的表面积等。其中Nafion膜与金属电极之间的界面即Nafion膜的表面对于IPMC的性能起着重大的作用，必须通过构建合适的Nafion膜表面来保证离子的迁移和铂氨复合物的渗透及还原。而增加Nafion膜的表面积是一个有效的方法。Kim et al.等通过喷砂和砂纸打磨Nafion膜（Kim K J, Shahinpoor M 2003 Ionic polymer-metal composites: II. Manufacturing techniques Smart Mater. Struct. 12 65-79）；Choi et al.等先制备掩模板，再通过等离子体刻蚀在Nafion膜表面产生了沟槽以增加Nafion膜的表面积（Choi N J, Lee H K, Jung S, Lee S, Park K H 2008 Electroactive polymer actuator with high response speed through anisotropic surface roughening by plasma etching J. Nanosci. Nanotechno. 8 5385-5388）；Noh et al.等先化学刻蚀出铝模板，通过热压工艺将该结构转移至Nafion膜（Noh T G, Tak Y, Nam J D, Choi H 2002 Electrochemical characterization of polymer actuator with large interfacial area Electrochim. Acta 47 2341-2346），但该铝模板表面结构的规律性不明显，不利于形成具有规律性的微纳表面织构的Nafion膜；Kim et al.和Saher et al.等直接通过等离子刻蚀在Nafion膜表面形成针孔状得结构，以粗化Nafion膜表面（Kim S J, Lee I T, Kim Y H 2007 Performance enhancement of IPMC actuator by plasma surface treatment Smart Mater. Struct. 16 N6-N11. Saher S, Moon S, Kim S J, Kim H J, Kim Y H 2010 O2 plasma treatment for ionic polymer metal nano composite (IPMNC) actuator Sens. Actuators B 147 170-179）。

发明内容

本发明目的在于提供一种电致动驱动材料驱动性能优越的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法。

一种具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、制备IPMC基底膜；

步骤2、在IPMC基底膜上通过磨粒研磨形成方向一致的纳米级表面沟痕；

步骤3、在纳米级表面沟痕基础上，通过热压成型工艺形成方向一致的微米级表面沟槽，且微米级表面沟槽方向与纳米级表面沟痕方向一致；其中热压成型工艺参数：压力为2~6 g/mm²，温度为120~160 ℃；热压成型工艺所用模具：模具表面具有微米级的条形沟槽形状，凸起宽度50-100μm，高度25-50 μm，凸起间距50-100μm ；

步骤4、采用化学镀方式，在IPMC基底膜表面镀金属颗粒，获得IPMC电致动驱动材料，其中金属颗粒范围50 ~100 nm。

所述的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述纳米级表面沟痕的宽度在200~500 nm。

所述的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于：上述步骤3中所述热压成型工艺参数为：压力为2g/mm²，温度为160 ℃。

所述的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于：上述步骤3中所述热压成型工艺所用模具：模具表面具有微米级的柱形沟槽形状，且凸起宽度80 μm，高度25 μm，凸起间距60 μm。

本发明通过微米纳米表面织构协同作用，在IPMC基底膜Nafion表面形成具有规律性微纳米尺寸沟槽，增加Nafion膜表面处理后表面积，相比单独的微米尺寸沟槽、单独的纳米尺寸沟槽增加的Nafion膜表面积都多。基底膜表面积大、金属粒子渗入基底膜较深，有利于化学镀和形成优良的金属电极，电极层与基底膜结合紧密，金属电极表面较致密均匀，降低了表面电阻，提高了IPMC的电流，从而提高IPMC电致动驱动材料驱动性能。该电致动材料具有较高的力和位移输出。较喷砂表面处理的IPMC，力和位移分别提高了4.39，2.35倍。

附图说明

图1 电火花加工的模具示意图和光学显微镜照片.(a) 示意图; (b) 光学显微镜图片；

图2 热压工艺示意图；

图3 研磨和热压后Nafion膜的电镜图片.(a) 表面电镜图片; (b) 微米级织构断面; (c) 纳米级沟痕表面; (d) 纳米级沟痕断面；

图4 热压后表面结构模型；

图5 IPMC在不同次数化学镀后的表面电镜图片.(a) 主镀; (b) 一次次镀; (c) 二次次镀; (d) 三次次镀; (e) 较大倍数下IPMC三次次镀后表面；

图6 IPMC在不同次数化学镀后的断面电镜图片.(a) 主镀; (b) 一次次镀; (c) 二次次镀; (d) 三次次镀; (e) 10000倍下IPMC金属电极与基底膜交界面; (f)喷砂IPMC金属电极与基底膜交界面; EDS分析. (g)喷砂IPMC; (h)研磨和热压协同处理后IPMC；

图7 喷砂和热压处理后的IPMC电流曲线；

图8 喷砂和热压处理后的IPMC输出位移和力曲线；

具体实施方式

实施例1

具有微纳表面织构的Nafion膜的制备

Nafion膜浇注：采用聚合物溶液浇注法制备Nafion膜，将计算好的Nafion溶液和DMF溶液倒入PDMS(Dow Corning，Sylgard 184，USA)模具(长×宽×高，30 mm × 40 mm × 50 mm)，充分搅拌混合，置于烤箱中70℃下蒸发直至成膜，150℃下保持8分钟以提高机械性能，厚度为0.62 mm。(2) 表面处理：采用电火花加工技术(EDM ROBOFORM 35, Charmilles, Switzerland)加工具有图1(a)表面织构的不锈钢的模具，如图1(b)所示。先采用超细磨粒对Nafion膜正反两面进行定向精细打磨1h形成方向一致的纳米级表面沟痕，再采用上面加工的两个模具进行热压，压力和温度分别为2 g/mm²，160℃，具体工艺如图2所示，，成方向一致的微米级表面沟槽，且微米级表面沟槽方向与纳米级表面沟痕方向一致，进行微纳米表面织构协同作用。通过扫描电镜观测，Nafion膜的表面产生了纳米级(200~500 nm)和微米级(80 μm)的沟槽，如图3所示。选取280 μm × 280 μm的区域，根据断面结构(图3b)建立表面结构模型(图4)，经过计算发现，较喷砂的Nafion膜的表面积(L ² – 60 × πr ² + 60 × 4πr ²/2 = 78588.4 μm²)，热压后Nafion膜的表面积增加，其为60 × 2πR × L / 360 + 2 × L × 80 – 128 × d × L +2× 128 × d × L = 87136 μm²。r为喷砂后球状凹坑结构半径(根据电镜观测，区域内以60个球状凹坑计算)，R为断面圆弧凸起结构的半径，L为所选区域长度，d为纳米级沟槽的宽度，相关数值见表1。

表1计算Nafion膜表面积相关数值

L (μm)	r (μm)	R (μm)	d (nm)
				280	1	60	200

金属镀层的形成

采用化学镀的方法，在Nafion膜表面进行1次主化学镀和3次化学镀，获得铂金属电极。将具有微纳表面织构的Nafion 膜浸泡于浓度为3.5 mg/ml的铂氨复合物溶液中进行离子交换，使得Pt(NH₃)₄ ²⁺离子与Nafion膜中H⁺发生交换。使用浓度3.5% NaBH₄作为还原剂进行主化学镀，将吸附在Nafion膜上的Pt离子还原成纳米级的Pt金属颗粒，沉积在Nafion膜的表面。

金属镀层测试

通过扫描电镜观测了每次化学镀后镀层的表面和断面，可以看出随着镀的次数的增加，镀层的表面颜色由黑色向银白色转变，表面的裂纹减少(图5(a)~(d))，镀层的厚度增加(图6(a)~(d))，最后IPMC的金属电极厚度达到35 μm (图6(d))，电极表面比较致密均匀，粒径范围50 ~100 nm (图5(e))，且铂金属电极与基底膜之间结合紧密(图6(e))。同时通过EDS分析比较了喷砂和本专利表面处理后铂在基底Nafion膜内部的分布情况，发现两种情况下铂颗粒渗入Nafion膜的深度分别为~5，~20 μm(图6(g)~(h))。和喷砂IPMC相比，具有微纳表面织构的IPMC的金属电极厚度增加了2.9倍，与基底膜结合更加紧密，金属电极表面积增加。采用万用电表(DM802)测试表面电阻，和喷砂IPMC相比，表面电阻由~16 Ω·cm^-1降至~1 Ω·cm^-1，IPMC电流增加了1.87倍，如图7所示。

电致动性能的测试

在测试平台(于敏, 张昊, 丁海涛, 何青松, 郭东杰, 戴振东. IPMC人工肌肉材料性能测试装置. CN101813533A)上测试，该IPMC电致动材料末端的输出位移可达16.10 mm (激光点距IPMC顶端21 mm)，端部输出力可达60 mN。其力输出和位移输出曲线如图8所示，与喷砂IPMC相比，力和位移输出分别增加了4.39和2.35倍。

Claims

1.一种具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、制备IPMC基底膜；

2.根据权利要求1所述的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述纳米级表面沟痕的宽度在200~500 nm。

3.根据权利要求1所述的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于：上述步骤3中所述热压成型工艺参数为：压力为2g/mm²，温度为160 ℃。

4.根据权利要求1所述的具有微纳表面织构的IPMC电致动材料的制备方法，其特征在于：上述步骤3中所述热压成型工艺所用模具：模具表面具有微米级的柱形沟槽形状，且凸起宽度80 μm，高度25 μm，凸起间距60 μm。