CN108527830B - 一种基于微针的基膜自动化糙化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微针的基膜自动化糙化装置，包括驱动部、微针部、加载台、基膜固定平台；驱动单元驱动微针部能够水平往复运动，当基膜糙化时，基膜夹在微针滚轮体与旋转台之间。及采用该装置的方法，以微针滚轮体作为基膜表面糙化工具，结合驱动部实现基膜糙化过程中的速度控制，灵活改变负载压力，旋转台和缓冲台保证基膜表面粗糙度的均匀性，装置结构简单，安装方便；易操作、低成本、无杂质，而且可重复性高、可控性好、效率较高，对于保证IPMC材料制备批次一致性具有积极作用。

Description

一种基于微针的基膜自动化糙化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基膜糙化装置及方法，尤其涉及的是一种基于微针的基膜自动化糙化装置及方法。

背景技术

IPMC，英文全称为：ion-exchange polymer metal composite(离子交换聚合金属材料)，是一种人工肌肉材料，是20世纪兴起的一种新型柔性智能材料，在低电压(1-10V)的作用下，会产生较大的弯曲变形，属于典型的离子型电致动聚合物。其质量轻、柔韧性好、变形大、响应快，在生物医学、光学器件、柔性仿生机械、微机电***、航天航空等研究领域意义重大。

IPMC是由聚合物基膜和上下两层电极构成，传统的IPMC制备工艺流程主要包括四个步骤：基膜表面糙化处理、浸泡-还原镀、化学镀、材料后处理。其中第一步在整个流程中起到关键作用：增加基膜表面的粗糙度从而增加表面电极与基膜的附着力，防止表面电极脱落及断层现象；有利于制备过程中氢气的排出，缓解溶胀造成的表面裂纹；增加渗入电极深度，有效改善界面电极形貌，提高材料性能。

关于IPMC基膜表面糙化工艺，目前文献主要报道过六种：砂纸打磨、化学腐蚀、磨料打磨、喷砂打磨、等离子体刻蚀、模具刻蚀热压处理。

砂纸打磨虽然是最早使用的一种最简单的基膜糙化方式，但由于人为因素影响较大，受力不均匀，导致基膜表面出现深浅不一的划痕，导致制备批次对材料性能的影响较大。极少的文献提出通过化学试剂(如：萘-纳处理液等)对基膜进行糙化处理的方法，其中Bar-Cohen等进行了尝试，结果表明该工艺反应机理复杂，易破坏基膜，导致材料性能降低。砂纸打磨和化学腐蚀的共同优点在于成本低。西安交通大学的陈华玲等人申请了磨料打磨工艺的相关专利(CN103465147A)，杨旭等设计了机械磨料糙化装置，但仅靠磨料与基膜的摩擦，基膜的糙化深度以及基膜和摩擦头之间的平铺均匀性都得不到保证。喷砂打磨、等离子体刻蚀、模具刻蚀热压处理同时引入大型机械设备，提高了糙化效率及均匀性。Wang、金宁、Chang等人对喷砂时间和喷砂压力等参数做了相关的研究，但总体来说对目前对于喷砂工艺参数还是缺乏全面的认识，没有一个统一的参考范围，并且喷砂打磨过程中的瞬时压力极易使砂粒射入基膜内且难以清除，会对材料性能产生较大影响。Kim、Choi、Saher等对纳米级别的等离子刻蚀技术进行了深入研究，该技术的可重复性高，但对设备和环境要求及成本均较高，刻蚀机理复杂、处理面积有限，不利于工业化生产。Noh、何青松等通过刻蚀模具(如：Al箔等)与热压工艺相结合的方法在聚合物基膜表面形成条状微型纳米沟槽的多级纹理结构，增大表面电极厚度和电极的界面面积以达到基膜糙化的目的，但研究表明该工艺对模具精度要求很高，操作复杂，需配备相应的压力设备，成本较高，制备出的材料电极容易脱落。

目前IPMC材料基膜糙化工艺尚未形成统一标准，使得现有工艺的稳定性较差，因此提出低成本、自动化的基膜糙化装置，改善和规范糙化工艺，提升基膜糙化过程中的可控性、一致性、稳定性，对IPMC材料的制备生产与应用具有积极意义！

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种解决上述背景技术成本高、操作复杂的基于微针的基膜自动化糙化装置及方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明一种基于微针的基膜自动化糙化装置，包括驱动部、微针部、加载台、基膜固定平台；

所述驱动部包括驱动单元及能够水平往复运动的滑块，驱动单元驱动连接滑块，微针部与滑块相连且能够水平往复运动地置于基膜固定平台上方，加载台能够拆卸地连接微针部上方，驱动部与基膜固定平台平行放置；所述微针部包括能够滚动地微针滚轮体，滑块驱动连接微针滚轮体；

所述基膜固定平台包括缓冲台与旋转台，旋转台套置在缓冲台内，且旋转台的台面与缓冲台的台面处于同一水平面，当基膜糙化时，基膜夹在微针滚轮体与旋转台之间。

优选的，驱动部还包括基座，所述基座包括第一基座、第二基座，第一基座与第二基座平行相对放置，且第一基座与第二基座均垂直放置，所述驱动单元为电机、滚珠丝杠，电机驱动连接滚珠丝杠，滚珠丝杠能够旋转地连接在第一基座与第二基座之间，电机设置在基座的另一侧。

优选的，驱动部还包括速度显示装置，安装在基座的另一侧，或由无线外接。

优选的，驱动部还包括连接件，所述连接件为直角型元件，包括水平板与垂直板，垂直板的一端与滑块的顶面可拆卸连接，另一端与水平板的一端固定连接，水平板的另一端连接微针部，且设有连接孔。

优选的，微针部还包括支架、圆柱销、圆柱杆，所述支架为凹型结构，微针滚轮体置于凹型结构内，微针滚轮体通过圆柱销固定在支架上，所述圆柱杆的一端固定在支架顶面中部，另一端设有外螺纹或加工有螺栓连接的通孔，圆柱杆穿过连接孔后与加载台连接，连接孔的直径大于圆柱杆。

优选的，所述加载台包括用于盛放负载的承载面，加载台底面设有凸起，凸起内设有内螺纹或加工有螺栓连接的通孔。

优选的，所述缓冲台为中心部设有圆形通孔的平台结构，所述旋转台的台面为圆形，旋转台置于圆形通孔的正下方，且在缓冲台台面长度尺寸大于微针滚轮体行程长度。

优选的，所述缓冲台与旋转台之间的间隙为0.05-0.5mm。

优选的，所述旋转台为间歇式电动旋转台。

本发明一种基于微针的基膜自动化糙化装置的糙化方法，所述方法具体步骤如下：

(1)裁剪IPMC材料基膜，四边留有余量3-5mm，在余量处紧密贴合薄胶带，将基膜样片固定于旋转台的水平台面上；

(2)加载台上固定负载；

(3)设定微针滚轮体的滚动速度为20-80mm/s，旋转台的单次旋转角度为2°-12°及单次间歇时间为微针滚轮体的单次同向滚动有效行程与滚动速度之比；

(4)同时启动电机、旋转台，滚珠丝杠带动微针滚轮体滚动，当微针滚轮体在单次间歇时间内移动至缓冲台台面后，微针滚轮体已经完成了第一次的糙化过程，并且已经移动至缓冲台平面上，此刻旋转台按照预先设定的旋转参数快速旋转，等待第二次糙化，以此方式循环，微针滚轮体匀速往复滚动实现基膜的单面糙化；

(5)关闭电机和旋转台，将基膜取下，将另一未糙化的面朝上，重复步骤(4)进行该基膜另一面的糙化处理。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)以微针滚轮体作为基膜表面糙化工具，结合驱动部实现基膜糙化过程中的速度能够得到均匀控制，并结合加载台可灵活改变负载以控制基膜糙化压力，旋转台和缓冲台保证基膜表面粗糙度的均匀性，装置结构简单，安装方便；

(2)旋转台采用间歇式电动旋转台，容易控制，能够使得每一次的糙化都均匀，无盲区；

(3)易操作、低成本、无杂质，而且可重复性高、可控性好、效率较高，对于保证IPMC材料制备批次一致性具有积极作用；

(4)本发明主要应用于IPMV材料，还可用于推广应用于其他柔性基体膜的糙化，如聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride)，PVDF)膜、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)膜等等。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于微针的基膜自动化糙化装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一种基于微针的基膜自动化糙化装置的俯视图；

图3是微针部与加载台的***示意图；

图4是基膜固定时的俯视图；

图5是工作流程图。

图中标号:驱动部1、第一基座11、第二基座12、电机13、滚珠丝杠14、滑块15、速度显示装置16、连接件17、微针部2、微针滚轮体21、支架22、圆柱销23、圆柱杆24、加载台3、凸起31、基膜固定平台4、缓冲台41、旋转台42、基膜5、薄胶带51。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-2所示，本实施例一种基于微针的基膜自动化糙化装置包括驱动部1、微针部2、加载台3、基膜固定平台4；

所述驱动部1包括驱动单元及能够水平往复运动的滑块15，驱动单元驱动连接滑块15，滑块15固定连接微针部2，微针部2能够水平往复运动的置于基膜固定平台4上方，加载台3能够拆卸的连接微针部2上方，驱动部1与基膜固定平台4平行放置；所述微针部2包括能够滚动地微针滚轮体21，滑块15驱动连接微针滚轮体21；以此实现驱动部1带动微针滚轮体21水平方向滚动。

所述基膜固定平台4包括缓冲台41与旋转台42，旋转台42套置在缓冲台41内，且旋转台42的台面与缓冲台41的台面处于同一水平面，当基膜5糙化时，基膜5夹在微针滚轮体21与旋转台42之间。

驱动部1还包括第一基座11、第二基座12，第一基座11与第二基座12平行相对设置，且第一基座11与第二基座12均垂直放置，所述驱动单元为电机13、滚珠丝杠14，电机13驱动连接滚珠丝杠14，电机13还附属一些控制单元，以控制电机13旋转速度及正反转，滚珠丝杠14能够旋转地连接在第一基座11与第二基座12之间，滚珠丝杠14穿过滑块15，滑块15设有螺纹，通过电机的正反转带动滚珠丝杠14的旋转从而实现滑块15的水平往复，电机13设置在基座上，本实施例中，电机13安装在第二基座12的另一侧，具体的，电机13选用步进电机。本实施例中，滚珠丝杠14的有效行程为100mm，速度为20-80mm/s。当然，本实施例中的驱动部1采用的是滑块15与滚珠丝杠14的组合结构，常用的能够实现水平往复直线运动的机构，还可以有齿轮机构、凸轮机构等，但本实施例中，滚珠丝杆14能够使得速度更为均匀。

作为本实施例的进一步优化，驱动部1还包括速度显示装置16，安装在基座上，或者可外接移动的显示面板，采用无线外接于电机13或有线连接，本实施例中，安装在第一基座11的另一侧，以便实时监控电机13的速度。驱动部1还包括连接件17，所述连接件17为垂直元件，包括水平板171与垂直板172，垂直板172的一端与滑块15的顶面可拆卸连接，具体的，垂直板172的底部设有用于连接的平面，平面可采用螺栓或螺钉与滑块的顶面连接，另一端与水平板171的一端固定连接，水平板171的另一端连接微针部2。如图中所示，水平板171的右端设有φ10mm圆形连接孔，连接孔内壁粗糙度为Ra1.6，用于微针部2的圆柱杆24穿过，圆柱杆24的直径小于连接孔的直径，差值可保持在0.1-0.5mm，具体的，其中垂直板172的尺寸为60mm×20mm×10mm，水平板171的尺寸为140mm×20mm×10mm。

如图3所示，微针部2的主要工作零件为微针滚轮体21，除此还包括支架22、圆柱销23、圆柱杆24，所述支架22为凹型结构，微针滚轮体21置于凹型结构内，微针滚轮体21通过圆柱销23固定在支架22上，且能够实现旋转，所述圆柱杆24的一端固定在支架22顶面中部，另一端设有外螺纹或者加工有螺栓连接的通孔。

微针滚轮体21针体均匀分布，面密度为100-200根/cm²，针体形状为椎体，椎体横截面的最大直径或长度为0.03-0.3mm，针总长为0.2-1mm。本实施例中，微针滚轮体的尺寸为φ20mm×45mm，面密度为100根/cm²，针体形状选用圆锥体，椎体横截面的最大直径为0.03mm，针总长为0.2mm；圆柱杆24的直径为φ8.8mm，长80mm，表面粗糙度为Ra1.6，其顶端部设有10mm长的外螺纹加工有螺栓连接的通孔。圆柱杆24穿过水平板171的圆形通孔处后与加载台3连接。

所述加载台3包括用于盛放负载的承载面，本实施例中，所述加载台3为盒装结构，加载台3底面设有凸起31，凸起31内设有内螺纹或加工有螺栓连接的通孔。圆柱杆24的外螺纹与凸起31的内螺纹实现可拆卸连接。当然，加载台3还可以为其他结构，只要能够放置负载即可。加载台3通过固定不同负载实现均衡压力控制，线压力范围为5-50g/mm。

如图1所示，结合图4，本实施例中，所述缓冲台41为中心部设有圆形通孔的桌子结构，缓冲台41台面的长度尺寸(平行于滚珠丝杆14的方向)大于微针滚轮体21的行程长度，缓冲台41外轮廓尺寸需满足，微针滚轮体21在工作过程中，圆柱销23始终处于缓冲台41台面的正上方。本实施例中，在微针滚轮体21滚动方向且在圆形通孔相切的两条平行线之间的范围内，缓冲台41边上的每一点到圆形通孔圆心的距离均大于圆形通孔半径与微针滚轮体21半径之和，目的在于保证微针滚轮体21滚至缓冲台41上时，其重心处于缓冲台41正上方，不致于掉落。所述旋转台42的台面为圆形，间歇式电动旋转台置于圆形通孔正下方。所述旋转台42为间歇式电动旋转台，旋转台42的台面的尺寸略小于缓冲台41中心处的圆形通孔，以便旋转台42套接在缓冲台41，缓冲台41与旋转台42之间的间隙可保持在0.05-0.5mm。缓冲台41还可以是其他顶面为平面的结构，如平台，也不限于缓冲台41的外部轮廓，可为长方形、圆形、三角形的桌子结构等。

本实施例中，缓冲台41的台面尺寸为160mm×80mm×10mm，其圆形通孔的内直径为60.2mm，旋转台42面的外直径为60mm。

本发明实施例中还提供一种采用所述基于微针的IPMC材料基膜自动化糙化装置的糙化方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

(1)裁剪IPMC材料基膜5，尺寸为35mm×35mm，四边留有余量5mm，在余量处紧密贴合薄胶带51，将基膜5样片固定于间歇式电动旋转台的水平台面上；

(2)加载台3上固定300g负载以控制糙化压力；

(3)设定驱动部1的糙化速度为50mm/s，间歇式电动旋转台的间歇时间为2s，旋转角度为5°；

(4)同时启动电机13和间歇式电动旋转台，滚珠丝杠14带动微针滚轮体21滚动，当微针滚轮体21滚动2s后，微针滚轮体21已经完成了第一次的糙化过程，并且已经移动至缓冲台41的平面上，此刻旋转台42按照预先设定的旋转参数快速旋转5°，并等待第二次糙化，以此方式循环，在整个运行过程中，微针滚轮体21一直在有效行程内保持匀速往复滚动状态，以此周期循环控制基膜糙化均匀性，单面糙化时间控制为5min；

(5)关闭电机13和间歇式电动旋转台，将基膜5取下，将另一未糙化的面朝上，重复步骤(4)进行该基膜5另一面的糙化处理。

本发明具有可推广性，不仅可以应用于IPMC材料，还可用于其他柔性基体膜的糙化，如聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride)，PVDF)膜、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)膜等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，包括驱动部、微针部、加载台、基膜固定平台；

所述驱动部包括驱动单元及能够水平往复运动的滑块，驱动单元驱动连接滑块，微针部与滑块相连且能够水平往复运动地置于基膜固定平台上方，加载台能够拆卸地连接微针部上方，驱动部与基膜固定平台平行放置；所述微针部包括能够滚动地微针滚轮体，滑块驱动连接微针滚轮体；

所述基膜固定平台包括缓冲台与旋转台，旋转台套置在缓冲台内，且旋转台的台面与缓冲台的台面处于同一水平面，当基膜糙化时，基膜夹在微针滚轮体与旋转台之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，驱动部还包括基座，所述基座包括第一基座、第二基座，第一基座与第二基座平行相对放置，且第一基座与第二基座均垂直放置，所述驱动单元为电机、滚珠丝杠，电机驱动连接滚珠丝杠，滚珠丝杠能够旋转地连接在第一基座与第二基座之间，电机设置在基座的另一侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，驱动部还包括速度显示装置，安装在基座的另一侧，或由无线外接。

4.根据权利要求1所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，驱动部还包括连接件，所述连接件为直角型元件，包括水平板与垂直板，垂直板的一端与滑块的顶面可拆卸连接，另一端与水平板的一端固定连接，水平板的另一端连接微针部，且设有连接孔。

5.根据权利要求4所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，微针部还包括支架、圆柱销、圆柱杆，所述支架为凹型结构，微针滚轮体置于凹型结构内，微针滚轮体通过圆柱销固定在支架上，所述圆柱杆的一端固定在支架顶面中部，另一端设有外螺纹或加工有螺栓连接的通孔，圆柱杆穿过连接孔后与加载台连接，连接孔的直径大于圆柱杆。

6.根据权利要求1所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，所述加载台包括用于盛放负载的承载面，加载台底面设有凸起，凸起内设有内螺纹或加工有螺栓连接的通孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，所述缓冲台为中心部设有圆形通孔的平台结构，所述旋转台的台面为圆形，旋转台置于圆形通孔的正下方，且在缓冲台台面长度尺寸大于微针滚轮体行程长度。

8.根据权利要求7所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，所述缓冲台与旋转台之间的间隙为0.05-0.5mm。

9.根据权利要求7所述的一种基于微针的基膜自动化糙化装置，其特征在于，所述旋转台为间歇式电动旋转台。

10.一种采用上述2-9任一所述基于微针的IPMC材料基膜自动化糙化装置的糙化方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

(1)裁剪IPMC材料基膜，四边留有余量3-5mm，在余量处紧密贴合薄胶带，将基膜样片固定于旋转台的水平台面上；

(2)加载台上固定负载；

(3)设定微针滚轮体的滚动速度为20-80mm/s，旋转台的单次旋转角度为2°-12°及单次间歇时间为微针滚轮体的单次同向滚动有效行程与滚动速度之比；

(4)同时启动电机、旋转台，滚珠丝杠带动微针滚轮体滚动，当微针滚轮体在单次间歇时间内移动至缓冲台台面后，微针滚轮体已经完成了第一次的糙化过程，并且已经移动至缓冲台平面上，此刻旋转台按照预先设定的旋转参数快速旋转，等待第二次糙化，以此方式循环，微针滚轮体匀速往复滚动实现基膜的单面糙化；

(5)关闭电机和旋转台，将基膜取下，将另一未糙化的面朝上，重复步骤(4)进行该基膜另一面的糙化处理。

Images