專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電活性聚合物材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型電活性聚合物材料及其制備方法，更具體地說(shuō)， 是涉及一種以纖維素和殼聚糖為基材的新型電活性聚合物材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
電活性材料是一類(lèi)能夠在外電場(chǎng)誘導(dǎo)下，產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生力學(xué)響 應(yīng)的材料。電活性材料的響應(yīng)形式可以有彎曲、收縮或膨脹等，從而可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、緊固、傳 感等功能。由于這類(lèi)材料直接受外界信號(hào)刺激產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，用這類(lèi)材料作為驅(qū)動(dòng)裝置可以構(gòu) 造成新型的產(chǎn)品、機(jī)電系統(tǒng)或機(jī)器人(動(dòng)物)，其中不需要常規(guī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，諸如馬達(dá)、機(jī) 軸、齒輪等，大大減輕了系統(tǒng)的重量，改變了傳統(tǒng)的機(jī)器的概念，為未來(lái)異型機(jī)器或系統(tǒng)提 供了廣闊的創(chuàng)新空間，從而引起了眾多研究人員和工程師、技術(shù)人員的關(guān)注。電活性材料開(kāi) 發(fā)應(yīng)用可追溯到1880年，倫琴發(fā)現(xiàn)一端固定的橡膠條在電場(chǎng)下可以發(fā)生長(zhǎng)度的改變。之后 在1925年壓電聚合物被發(fā)現(xiàn)并被用作傳感器。1949年Katchalsky發(fā)現(xiàn)膠原質(zhì)纖維在酸堿 溶液中可重復(fù)收縮和膨脹，這是聚合物材料的化學(xué)響應(yīng)性被首次發(fā)現(xiàn)。1969年，研究者發(fā) 現(xiàn)聚偏氟乙烯材料具有較大的壓電效應(yīng)，人們開(kāi)始把目光投向其聚合物體系，之后大量具 有鐵電性質(zhì)的電活性聚合物材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)。隨著電活性材料研究的不斷深入和發(fā)展，其 巨大的應(yīng)用前景已呈現(xiàn)在人們面前。電活性材料可作為人工肢體和人造器官、供宇航員和 殘疾人用的增力外骨架以及制作機(jī)器人肌肉，可用于制造尺寸更加細(xì)小的器件用于基因工 程來(lái)操作細(xì)胞。利用電活性聚合物可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與器件的小型化，從而推動(dòng)微電子機(jī)械技術(shù) 的發(fā)展。目前國(guó)際上研究目標(biāo)之一是制造“昆蟲(chóng)”機(jī)器人，可用于軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。利用 電活性聚合物模仿魚(yú)尾作為推進(jìn)器，可用于制造無(wú)噪聲的微型艦船?；诖藰?gòu)想，電活性聚 合物的第一個(gè)商業(yè)用途早已實(shí)現(xiàn)，但僅作為玩具。2002年12月，日本大阪的一家公司生產(chǎn) 出一種機(jī)械魚(yú)，可以在水中自由地游弋，這是電活性聚合物發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。目前電 活性聚合物材料已經(jīng)被開(kāi)發(fā)的科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有飛行器、可控制織物、機(jī)器人、醫(yī)療等， 然而大都處于實(shí)驗(yàn)階段。根據(jù)形變產(chǎn)生的機(jī)制，電活性聚合物材料可以分為電子型和離子 型兩大類(lèi)。電子型即電場(chǎng)活性材料，通過(guò)電場(chǎng)以及靜電作用(庫(kù)侖力)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)體系 不需要保持在濕態(tài)環(huán)境下，也被稱(chēng)為干驅(qū)動(dòng)體系。這一類(lèi)主要包括電介質(zhì)彈性體、壓電聚合 物、鐵電聚合物、電致伸縮聚合物等；離子型聚合物即電流活性材料，包括離子聚合物、聚合 物電解質(zhì)凝膠、導(dǎo)電聚合物等，因?yàn)轶w系需在濕態(tài)環(huán)境下工作，也稱(chēng)濕驅(qū)動(dòng)體系，主要通過(guò) 離子的運(yùn)動(dòng)所引起的形變來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。由于電子比離子移動(dòng)的更快些，電子型聚合 物的反應(yīng)時(shí)間較短，僅幾微秒，其能量密度也較大，并可長(zhǎng)時(shí)間在空氣中運(yùn)行，而離子材料 在必須浸浴在液體溶劑中。但是，電子型聚合物要求在很強(qiáng)的電場(chǎng)中才能實(shí)現(xiàn)收縮(150MV/ m)。電子型與離子型兩種電活聚合物性材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。電子型電活聚合物性材料的優(yōu) 點(diǎn)在于其可以在室內(nèi)環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)；可以在電場(chǎng)下 長(zhǎng)時(shí)間的保持應(yīng)變狀態(tài)，能夠產(chǎn)生相對(duì)較大的驅(qū)動(dòng)力；缺點(diǎn)是需要很高的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，一般得 150MV/m,電壓至少在IKV以上，應(yīng)力和應(yīng)變相互妥協(xié)，應(yīng)變大則所產(chǎn)生應(yīng)力小，應(yīng)力大則應(yīng) 變小。由于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響，電子型電活聚合物性材料不適合在低溫下工作。鐵電聚 合物材料由于居里溫度的限制，不適合高溫環(huán)境工作。離子型電活聚合物性材料的優(yōu)點(diǎn)是 在1 7V的低電壓下能夠產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)變，通過(guò)施加電壓方向的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)可控雙向驅(qū)動(dòng)；缺點(diǎn)是除了導(dǎo)電聚合物和碳納米管復(fù)合材料，其它離子型在電場(chǎng)下不能維持應(yīng)變狀態(tài)， 而且響應(yīng)速度較慢，彎曲應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較小，除導(dǎo)電聚合物，其它類(lèi)型很難得到均勻 的材料，尤其是離子聚合物_金屬?gòu)?fù)合材料。如何能夠綜合電子型與離子型兩種電活聚合 物性材料的優(yōu)點(diǎn)，這是電活聚合物性材料邁向商業(yè)應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是以纖維素和殼聚糖為基材，將其應(yīng)用于電活性材料 中，提出了一種新型的纖維素和殼聚糖為主要組成的新型電活性聚合物材料及其制備方 法。該電活性材料既兼具了電子型與離子型兩種電活聚合物性材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有原 料來(lái)源廣泛、成本低、加工工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境可降解等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)(1)將纖維素和殼聚糖以一定重量比混合后加入溶劑三氟乙酸，在室溫下溶解； (2)將溶解完全的混合溶液澆注成膜，在室溫下徹底干燥；(3)將干燥后的膜放入到含一定 濃度的戊二醛水溶液中，超聲波震蕩下浸漬一定時(shí)間；(4)取出后將膜放入到含一定濃度 的氫氧化鈉溶液，室溫下浸泡一定時(shí)間；(5)取出后用去離子水反復(fù)沖洗；(6)再將膜放入 到含一定濃度的氯化氫溶液，室溫下浸泡一定時(shí)間；(7)取出后用去離子水沖洗凈表面，室 溫下徹底干燥；(8)在真空條件下對(duì)膜表面進(jìn)行鍍電極。本發(fā)明的有益效果是1.以纖維素和殼聚糖為基材，制備出了一種新型的電活性聚合物材料，該電活性 材料兼具了電子型與離子型兩種電活性聚合物材料的優(yōu)點(diǎn)。2.纖維素和殼聚糖是地球上分布最廣、年產(chǎn)量最大的天然生物源高分子材料，每 年都有上百億噸生產(chǎn)出來(lái)，是真正的可持續(xù)的、不可消耗的天然原料。3.纖維素和殼聚糖是天然材料，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何影響，是一種無(wú)公害、且具有 環(huán)保優(yōu)點(diǎn)的新型電活性材料。


圖1電活性聚合物材料的結(jié)構(gòu)示意圖(1，基材；2，電極)；圖2電活性 聚合物材料的電致響應(yīng)形變曲線(xiàn)(電壓t:3V;_ :4V；· :5V； A :6V ； :7V)(測(cè)試條件 為環(huán)境溫度25°C ；環(huán)境濕度30%相對(duì)濕度)；圖3電活性聚合物材料的工作壽命曲線(xiàn) (測(cè)試條件為25°C ；環(huán)境濕度30%相對(duì)濕度；電壓5V，頻率4Hz)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體說(shuō)明。實(shí)施例例1 首先將紙漿纖維素切成小段，和殼聚糖一起放在真空干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)， 保證無(wú)殘余水分；稱(chēng)取紙漿纖維素3. Og和殼聚糖2. 0g，混合后放入溶劑三氟乙酸100ml，密 封后室溫靜置7天；離心分離，得到完全溶解的漿纖維素和殼聚糖溶液，在四氟乙烯模型上 澆注成膜；室溫下自然干燥2天后，將干燥后的膜放入200ml含0.05% (質(zhì)量比)戊二醛 水溶液中，超聲波震蕩下浸漬3小時(shí)；取出后將膜放入含有0.1% (質(zhì)量比)的氫氧化鈉水 溶液中，室溫下浸泡12小時(shí)；然后用3000ml的去離子水反復(fù)沖洗，再將膜放入到含0. 1% (質(zhì)量比)的氯化氫水溶液中，室溫下浸泡6小時(shí)；膜取出后用IOOml的去離子水沖洗凈表 面，在四氟乙烯板上攤平，室溫下自然干燥2天；在真空條件下(小于4X104Pa)對(duì)膜表面 鍍金電極，電極厚度小于lOOnm。例2 首先將紙漿纖維素切成小段，在真空干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)，保證無(wú)殘余水 分；稱(chēng)取紙漿纖維素5. 0g，后放入溶劑二甲基甲酰胺IOOml和氯化鋰9. 0g，密封后室溫下攪 拌2天，然后升溫至150°C下攪拌3天；離心分離，得到完全溶解的漿纖維素溶液，在四氟乙烯模型上澆注成膜；室溫下自然干燥2天后，將干燥后的膜放入200ml含0. 1 % (質(zhì)量比) 戊二醛水溶液中，超聲波震蕩下浸漬2小時(shí)；取出后將膜放入含有0.05% (質(zhì)量比)的氫 氧化鈉水溶液中，室溫下浸泡12小時(shí)；然后用5000ml的去離子水反復(fù)沖洗，再將膜放入到 含0.05% (質(zhì)量比)的氯化氫水溶液中，室溫下浸泡10小時(shí)；膜取出后用200ml的去離子 水沖洗凈表面，在四氟乙烯板上攤平，室溫下自然干燥2天；在真空條件下(小于4X104Pa) 對(duì)膜表面鍍銅電極，電極厚度小于lOOnm。例3 首先將紙漿纖維素切成小段，和殼聚糖一起放在真空干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)， 保證無(wú)殘余水分；稱(chēng)取紙漿纖維素4. Og和殼聚糖l.Og，混合后放入溶劑三氟乙酸100ml，密 封后室溫靜置7天；離心分離，得到完全溶解的漿纖維素和殼聚糖溶液，在四氟乙烯模型上 澆注成膜；室溫下自然干燥2天后，將干燥后的膜放入200ml含0.1% (質(zhì)量比)戊二醛水 溶液中，超聲波震蕩下浸漬2小時(shí)；取出后將膜放入含有0.1% (質(zhì)量比)的氫氧化鈉水溶 液中，室溫下浸泡8小時(shí)；然后用4000ml的去離子水反復(fù)沖洗，再將膜放入到含0. 15% (質(zhì) 量比)的氯化氫水溶液中，室溫下浸泡6小時(shí)；膜取出后用200ml的去離子水沖洗凈表面， 在四氟乙烯板上攤平，室溫下自然干燥2天；在真空條件下(小于4X IO4Pa)對(duì)膜表面鍍金 電極，電極厚度小于lOOnm。例4 首先將紙漿纖維素切成小段，和殼聚糖一起放在真空干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)， 保證無(wú)殘余水分；稱(chēng)取紙漿纖維素1. Og和殼聚糖4. 0g，混合后放入溶劑三氟乙酸100ml，密 封后室溫靜置7天；離心分離，得到完全溶解的漿纖維素和殼聚糖溶液，在四氟乙烯模型上 澆注成膜；室溫下自然干燥2天后，將干燥后的膜放入200ml含0.2% (質(zhì)量比)戊二醛水 溶液中，超聲波震蕩下浸漬2小時(shí)；取出后將膜放入含有0.5% (質(zhì)量比)的氫氧化鈉水溶 液中，室溫下浸泡10小時(shí)；然后用5000ml的去離子水反復(fù)沖洗，再將膜放入到含0. 2% (質(zhì) 量比)的氯化氫水溶液中，室溫下浸泡10小時(shí)；膜取出后用200ml的去離子水沖洗凈表面， 在四氟乙烯板上攤平，室溫下自然干燥2天；在真空條件下(小于4X IO4Pa)對(duì)膜表面鍍鉬 電極，電極厚度小于lOOnm。
權(quán)利要求
1.一種新型電活性聚合物材料的制備方法包括以下步驟(1)將纖維素和殼聚糖以一定重量比混合后加入溶劑三氟乙酸，在室溫下溶解；(2)將 溶解完全的混合溶液澆注成膜，在室溫下徹底干燥；C3)將干燥后的膜放入到含一定濃度 的戊二醛水溶液中，超聲波震蕩下浸漬一定時(shí)間；(4)取出后將膜放入到含一定濃度的氫 氧化鈉溶液，室溫下浸泡一定時(shí)間；( 取出后用去離子水反復(fù)沖洗；(6)再將膜放入到含 一定濃度的氯化氫溶液，室溫下浸泡一定時(shí)間；(7)取出后用去離子水沖洗凈表面，室溫下 徹底干燥；(8)在真空條件下對(duì)膜表面進(jìn)行鍍電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備的新型電活性聚合物材料，其特征是所述的基材是纖 維素和殼聚糖，該電活性材料兼具了電子型與離子型兩種電活性材料的優(yōu)點(diǎn)。
全文摘要
一種電活性聚合物材料及其制備方法。本發(fā)明涉及一種以纖維素和殼聚糖為基材的新型電活性聚合物材料及其制備方法，該電活性材料既兼具了電子型與離子型兩種電活性材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有原料來(lái)源廣泛、成本低、加工工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境可降解等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)將纖維素和殼聚糖以一定重量比混合后加入溶劑三氟乙酸，室溫下溶解；將溶解完全的混合溶液澆注成膜，室溫下干燥；將膜在戊二醛水溶液中交聯(lián)；取出后在氫氧化鈉溶液和氯化氫溶液中處理；最后在真空條件下對(duì)膜表面進(jìn)行鍍電極。
文檔編號(hào)C08J7/12GK102079818SQ20101057715
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者楊光, 蔡志江, 錢(qián)曉明 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)