一種多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能材料領(lǐng)域，具體涉及一種多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]離子型電致動(dòng)聚合物智能材料離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物(IPMC JonicPolymer-Metal Composites)和離子聚合物凝膠體(IPG:1onic Polymer Gels)，是一類(lèi)新型高分子智能材料，其在電場(chǎng)作用下，首先將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓低(I?5V)，直接用電池就能夠驅(qū)動(dòng)它們并且產(chǎn)生大幅度變形，并且在對(duì)材料施加外部位移或力的激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生電流或電壓的傳感信號(hào)，具有質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)電壓低、柔性好、能耗低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于仿生器械、柔性機(jī)器人、光學(xué)儀器、醫(yī)療器械、航空航天設(shè)備等領(lǐng)域。但隨著智能材料尺寸增大，其變形能力明顯下降，驅(qū)動(dòng)能力較弱，限制了其應(yīng)用。
[0003]國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在提高離子型電致動(dòng)聚合物智能材料變形性能方面進(jìn)行了大量的研究工作，但鮮有從材料微觀結(jié)構(gòu)角度研究其驅(qū)動(dòng)性能。有學(xué)者(Sun Y.J.等，使用通過(guò)ZnO顆粒過(guò)濾法制得的多孔Naf1n膜制成的增強(qiáng)型離子聚合物_金屬?gòu)?fù)合材料驅(qū)動(dòng)器；文獻(xiàn)(Smart Mater.Struct.24 (2015) 037007 (9pp))研究了使用多孔Naf 1n膜制成的 IPMC驅(qū)動(dòng)器性能有所提高，其使用了化學(xué)過(guò)濾ZnO顆粒的方法制得多孔Naf1n膜；蔣晶晶等(專利號(hào)CN103531826A)使用含有MgO或ZnO納米材料的漿液成型多孔結(jié)構(gòu)膜電極。
[0004]然而，現(xiàn)有工藝復(fù)雜，需要另外添加成孔材料，且制得多孔智能材料的驅(qū)動(dòng)性能提尚有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提出一種多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料的制備方法，該方法能夠制備具有多孔結(jié)構(gòu)的離子型電致動(dòng)聚合物智能材料，且其變形能力有顯著提高。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]—種多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料的制備方法，該多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料為離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料或離子聚合物凝膠體智能材料；
[0008]多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料為離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料時(shí)，包括以下步驟:
[0009]I)將Naf1n溶液和高沸點(diǎn)添加劑倒入模具中混合均勻，制得鑄型液；其中，高沸點(diǎn)添加劑的加入量為Naf1n溶液體積的十分之一；
[0010]2)將鑄型液進(jìn)行真空熔鑄，得到Naf1n基體；
[0011]3)Naf1n基體在液氮中預(yù)凍后，再進(jìn)行冷凍干燥處理，得到多孔Naf1n基體；
[0012]4)將多孔Naf1n基體制備成離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料，得到多孔離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料；
[0013]該多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料為離子聚合物凝膠體智能材料時(shí)，包括以下步驟:
[0014]a)將去離子水、凝膠單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑混合均勻，得到原料液；其中，凝膠單體摩爾濃度為2?3mol/L，交聯(lián)劑為凝膠單體質(zhì)量的0.05?0.1 %，引發(fā)劑為凝膠單體質(zhì)量的 0.1 ?0.2% ；
[0015]b)將原料液于液氮中進(jìn)行預(yù)凍處理后進(jìn)行冷凍干燥，再于室溫下浸入去離子水中溶脹，制得多孔離子聚合物凝膠體智能材料。
[0016]所述步驟I)中高沸點(diǎn)添加劑為乙二醇、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺；混合是通過(guò)超聲振蕩進(jìn)行的。
[0017]所述步驟2)中真空熔鑄是在真空干燥箱中進(jìn)行的，并且熔鑄的溫度為120°C，時(shí)間為12h?24ho
[0018]所述步驟3)和步驟b)中預(yù)凍的時(shí)間為15?30min。
[0019]所述步驟3)和步驟b)中冷凍干燥是在冷凍干燥箱中進(jìn)行的。
[0020]所述步驟3)和步驟b)中冷凍干燥的具體條件為:在真空下于-80°C?+35°C溫度范圍內(nèi)，以1.5?5°C/h的升溫速率梯度升溫至_80°C?+35°C，干燥23?72h。
[0021]所述步驟a)中凝膠單體為苯胺或丙烯酰胺。
[0022]所述步驟a)中交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯或乙二酸二酰肼。
[0023]所述步驟a)中引發(fā)劑為四甲基乙二胺、過(guò)硫酸銨或過(guò)硫酸鉀。
[0024]所述步驟b)中溶脹的時(shí)間為6?24h。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]1、本發(fā)明制備離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料時(shí)，通過(guò)將制得的Naf1n基體進(jìn)行預(yù)凍、冷凍干燥，無(wú)需使用其他添加劑，且制得的多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料具有成孔尺寸大、孔隙率高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明制得的多孔離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料中存在50?10nm的孔隙，并且孔隙率為38.3%。在制備離子聚合物凝膠體智能材料時(shí)，同樣的將原料液進(jìn)行預(yù)凍處理后進(jìn)行冷凍干燥，同樣在不需要加入添加劑的條件下，制得具有良好驅(qū)動(dòng)性能的多孔智能材料。
[0027]2、本發(fā)明利用液氮低溫預(yù)凍使液體迅速結(jié)晶、低溫真空條件下可使結(jié)晶升華的原理，結(jié)合離子型電致動(dòng)聚合物智能材料的共晶、共融溫度，使得在無(wú)需使用其他添加劑的條件下，制得的多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料具有成孔尺寸大、孔隙率高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。離子型電致動(dòng)聚合物智能材料是依靠?jī)?nèi)部帶電離子通過(guò)孔隙微結(jié)構(gòu)的定向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料的宏觀體積、顏色或電勢(shì)的變化，增大材料內(nèi)部孔隙率就增大了材料的表面積，使其能夠吸引更多的電荷及溶劑分子，導(dǎo)電能力增強(qiáng)；增大材料內(nèi)部的孔隙尺寸可為移動(dòng)的離子、分子提供足夠的空間，降低移動(dòng)阻力，促進(jìn)材料的宏觀形狀等變化。
[0028]3、本發(fā)明能夠制備出高變形性能多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料。經(jīng)本發(fā)明冷凍干燥工藝成型的多孔離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料，具有變形性能高、響應(yīng)速度快、松弛現(xiàn)象弱等特點(diǎn)。與相同尺寸其他工藝制備的智能材料相比，在相同驅(qū)動(dòng)電壓下(2V直流電壓)，本發(fā)明制備的智能材料末端位移變形量提高了 172%，克服了傳統(tǒng)制備工藝大尺寸智能材料變形性能不佳的問(wèn)題。此外，本發(fā)明可以制得高變形性能大尺寸離子型電致動(dòng)聚合物智能材料。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明提出的冷凍干燥工藝制備多孔Naf1n基體與普通工藝制備基體的吸水性能對(duì)比；
[0030]圖2為多孔Naf1n基體的掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖3為本發(fā)明提出的冷凍干燥工藝與普通工藝制備的離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料變形性能對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]本發(fā)明中離子型電致動(dòng)聚合物智能材料包括離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物(IPMC:1onic Polymer-Metal Composites)和離子聚合物凝膠體(IPG:1onic Polymer Gels)。
[0034]離子型電致動(dòng)聚合物智能材料為離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物時(shí)，多孔離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料的具體制備過(guò)程如下:
[0035]I)根據(jù)所制備多孔離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料的厚度及模具容器的尺寸，以及所使用的Naf1n溶液的密度，并且需要考慮到溶液在容器內(nèi)壁附著造成的損失，計(jì)算出所需Naf1n溶液體積。為了提高成形材料質(zhì)量，需要在Naf1n溶液中添加高沸點(diǎn)添加劑，高沸點(diǎn)添加劑為乙二醇、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一種，所需高沸點(diǎn)添加劑的體積為Naf1n溶液體積的1/10 ;
[0036]2)將Naf1n溶液和高沸點(diǎn)添加劑倒入模具中混合，為使溶液充分混合，將溶液進(jìn)行超聲振蕩15?30min處理，制得鑄型液；
[0037]3)將盛有鑄型液的模具放入真空干燥箱中，在120°C下進(jìn)行真空熔鑄，熔鑄時(shí)間為12h?24h，得到Naf1n基體；
[0038]4)為使成形材料中產(chǎn)生均勻孔隙，將熔鑄的Naf1n基體用液氮于_196°C下預(yù)凍處理15?30min。然后，將基體放置在冷凍干燥箱中進(jìn)行冷凍干燥處理，具體為:在真空下于-80°C?+35°C溫度范圍內(nèi)，以1.5?5°C /h的升溫速率梯度升溫至_80°C?+35°C，即冷凍干燥的起始溫度和終止溫度均在_80°C?+35°C內(nèi)，干燥23?72h后，得到多孔Naf1n基體；
[0039]5)將多孔Naf1n基體制備成離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料，具體的制備方法參見(jiàn)專利:ZL 201110085960.9，即得到多孔離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物智能材料。
[0040]所述Naf1n溶液為杜邦公司生產(chǎn)或按照專利CN102875940A中的制備方法進(jìn)行制備的。
[0041]多孔離子型電致動(dòng)聚合物智能材料為離子聚合物凝膠體時(shí)，多孔離子聚合物凝膠體智能材料的具體制備過(guò)程如下:
[0042]I)將去離子水、凝膠單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑依次倒入模具中混合均勻，得到原料液，其中，凝膠單體摩爾濃度為2?3mol/L，交聯(lián)劑為凝膠單體質(zhì)量的0.05?0.1 %，引發(fā)劑為凝膠單體質(zhì)量的0.1?0.2%，靜置6h ；
[0043]2)將盛有原料液的模具用液氮于_196°C下進(jìn)行預(yù)凍處理15?30min。經(jīng)預(yù)凍處理后，將模具放置在冷凍干燥箱中進(jìn)行冷凍干燥處理，在真空下于-80°C?+35°C溫度范圍內(nèi)，以1.5?5°C /h的升溫速率梯度升溫至_80°C?+35°C，干燥23?72h，得到凝膠材料；
[0044]3)將凝膠材料在室溫下浸入去離子水中溶脹處理6?24h，制得多孔離子聚合物凝膠體智能材料。
[0045]所述的凝膠單體為苯胺或丙烯酰。
[0046]所述的交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯或乙二酸二酰肼。
[0047]所述的引發(fā)劑為四甲基乙二胺、過(guò)硫酸銨或過(guò)硫酸鉀。
[0048]實(shí)施例1
[0049]I)將Naf1n溶液(杜邦公司生產(chǎn))和乙二醇倒入模具中超聲振蕩處理30min，混合均勻，得到鑄型液；其中，乙二醇的體積為Naf1n溶液體積的1/10 ;
[0050]2)將盛有鑄型液的模具于120°C下于真空干燥箱中進(jìn)行真空熔鑄12h，得到Naf1n 基體；
[0051]3)將Naf1n基體用液氮進(jìn)行預(yù)凍處理30min后在冷凍干燥箱中進(jìn)行冷凍干燥，真空下自-80°C以1.50C /h的升溫速率干燥23h，得到多孔Naf1n基體。
[0052]實(shí)施例2
[0053]I)將Naf1n溶液(杜邦公司生產(chǎn))和二甲基亞砜倒入模具中混合均勻，得到鑄型液；其中，二甲基亞砜的體積為Naf1n溶液體積的1/10 ；
[0054]2)將盛有鑄型液的模具于120°C下于真空干燥箱中進(jìn)行真空熔鑄24h，得到Naf1n 基體；
[0055]3)將Naf1n基體用液氮進(jìn)行預(yù)凍處理15min后在冷凍干燥箱中進(jìn)行冷凍干燥，真空下自-70°C以2°C /h的升溫速率干燥24h，得到多孔Naf1n基體。
[0056]實(shí)施例3
[0057]I)將Naf1n溶液(按照專利CN1028