一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元及其制备方法

摘要

本发明涉及一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元及其制备方法，包括nafion117离子聚合物膜，Ag纳米粒子和金薄膜电极；所述Ag纳米粒子嵌于nafion117离子聚合物膜两侧的表面；所述金薄膜电极以对称位于nafion117离子聚合物膜两侧的Ag纳米粒子上方，所述金薄膜电极为连续的若干Z字形。本发明制备的离子聚合物金属复合材料，在电驱动下可以螺旋形弯曲，并沿着螺旋轴方向线性运动，为组合叠加的多方向的驱动器提供了单元基础；本发明的单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元结构简单，可重复性高，力输出性能稳定，在柔性电致动智能材料、水下智能开关和低电压驱动等领域具有很大的应用前景。

权利要求

1.一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，其特征在于，包括nafion117离子聚合物膜，Ag纳米粒子和金薄膜电极；所述Ag纳米粒子嵌于nafion117离子聚合物膜两侧的表面；所述金薄膜电极对称位于nafion117离子聚合物膜两侧的Ag纳米粒子上方，所述金薄膜电极的形状为通过磁控溅射的连续的若干Z字形；所述Ag纳米粒子的直径为100-200nm；所述金薄膜电极的厚度为500-1000nm；所述连续的若干Z字形的金薄膜电极相邻两条金薄膜之间构成的夹角为60-120°；所述单片螺旋形离子聚合物金属复合材料的线性拉伸距离为1-3cm。

2.根据权利要求1所述的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，其特征在于，所述nafion117离子聚合物膜的尺寸为0.5cm×5cm，所述金薄膜电极的宽度为

0.2-0.5cm。

3.一种如权利要求1或2所述的单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，打磨nafion117离子聚合物膜，用金相砂纸均匀按一个方向打磨；

步骤二，将步骤一所得打磨后的nafion117离子聚合物膜用去离子水超声洗涤10-

20min；再置于2mol/L的HCL溶液中，并在150-200℃温度下保持一段时间；然后取出nafion117离子聚合物膜，分别用去离子水清洗、双氧水煮沸、去离子水清洗和去离子水煮沸0.5h；

步骤三，将步骤二所得的nafion117离子聚合物膜放入0.1mol/L的H2SO4中浸泡0.5h；然后取出nafion117离子聚合物膜并置于0.01mol/L银氨溶液中浸泡12h，再将该银氨溶液和nafion117离子聚合物膜60℃水浴加热，每隔10min滴1-2mL浓度为0.2-0.4mol/L的NaBH4还原剂，每滴加一次NaBH4还原剂，水浴加热温度升高1℃，直至温度升到70℃结束反应，反应过程中持续搅拌溶液，并给nafion117离子聚合物膜每隔5min翻一次面；

步骤四，将步骤三所得nafion117离子聚合物膜取出，用去离子水超声清洗10min，然后放入0.1mol/L的HCL中，超声波振荡0.5h；最后，再次用去离子水清洗，获得具有金属光泽的nafion117离子聚合物膜；

步骤五，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在步骤四所得的nafion117离子聚合物膜的两侧沉积一层连续的若干Z字形金薄膜作为电极，镀完金薄膜后，用小刀切去nafion117离子聚合物膜的边缘部分，防止两电极短路。

4.根据权利要求3所述的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法，其特征在于，所述步骤五连续的若干Z字形金薄膜的沉积时间为1h，每隔5min旋转样品台，翻一次面。

5.根据权利要求3所述的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法，其特征在于，所述步骤二的在150-200℃温度下保持一段时间为1h。

说明书

一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元及其

制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于柔性电致动智能材料领域，具体涉及一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料(IPMC)线性驱动单元及其制备方法。技术背景

[0002] Nafion是一种全氟磺酸离子聚合物膜，它由一个类似于聚四氟乙烯的骨架、短侧链以及磺酸基团终端，包含H+，Li+，Na+，K+，疏水氟碳化合物和亲水离子相组成。Nafion具有易生产、重量轻、弹性大、弯曲形变大、抗弯响应速度快、柔软、低电压驱动等优异性能，在离子型电致动智能材料领域有重要的应用前景。CN104696174A公开了一种双片离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，双片IPMC虽然可以提供线性驱动，但其弯曲所需的空间大，不利于狭小空间下使用，限制了其应用范围。而单片IPMC的运动形式单一。

[0003] 在IPMC的制备方法中，化学镀(铂或金)是制造基于Nafion膜的IPMC的最佳工艺，但是该方法获得的金属电极致密度不够，导电性不佳，而且在液体环境中化学镀无法控制IPMC电极的形状，限制了IPMC多样化电极的设计。

[0004] 如何改善IPMC力输出形式的多样性，进一步拓展IPMC应用，是亟待研究解决的一项问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种性能稳定，可以同时进行旋转和线性驱动的单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，改善了IPMC的运动形式，拓展了IPMC的应用。

[0006] 本发明的技术方案为：一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，其特征在于，包括nafion117离子聚合物膜，Ag纳米粒子和金薄膜电极；所述Ag纳米粒子嵌于nafion117离子聚合物膜两侧的表面；所述金薄膜电极对称位于nafion117离子聚合物膜两侧的Ag纳米粒子上方，所述金薄膜电极为连续的若干Z字形。

[0007] 作为优选，所述Ag纳米粒子的直径为100-200nm，所述金薄膜电极的厚度为500-1000nm；所述连续的若干Z字形的金薄膜电极相邻两条金薄膜之间构成的夹角为60-120°。

[0008] 具体地，所述nafion117离子聚合物膜的尺寸为0.5cm×5cm，所述金薄膜电极的宽度为0.2-0.5cm。

[0009] 进一步地，所述单片螺旋形离子聚合物金属复合材料的线性拉伸距离为1-3cm，其拉伸距离的长短与Z字形的金薄膜电极相邻两条金薄膜边之间的夹角有关。

[0010] 本发明还包括一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0011] 步骤一，打磨nafion117离子聚合物膜，用金相砂纸均匀按一个方向打磨；

[0012] 步骤二，将步骤一所得打磨后的nafion117离子聚合物膜用去离子水超声洗涤10-20min；再置于2mol/L的HCL溶液中，并在150-200℃温度下保持一段时间；然后取出该离子聚合物膜，分别用去离子水清洗、双氧水煮沸、去离子水清洗和去离子水煮沸0.5h；

[0013] 步骤三，将步骤二所得的nafion117离子聚合物膜放入0.1mol/L的H2SO4中浸泡0.5h；然后取出nafion117离子聚合物膜并置于0.01mol/L银氨溶液中浸泡12h，再将该银氨溶液和nafion117离子聚合物膜60℃水浴加热，每隔10min滴1-2mL浓度为0.2-0.4mol/L的NaBH4还原剂，每滴加一次NaBH4还原剂，水浴加热温度升高1℃，直至温度升到70℃结束反应，反应过程中持续搅拌溶液，并给nafion117离子聚合物膜每隔5min翻一次面；

[0014] 步骤四，将步骤三所得nafion117离子聚合物膜取出，用去离子水超声清洗10min，然后放入0.1mol/L的HCL中，超声波振荡0.5h；最后，再次用去离子水清洗，获得具有金属光泽的nafion117离子聚合物膜；

[0015] 步骤五，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在步骤四所得的nafion117离子聚合物膜的两侧沉积一层连续的若干Z字形金薄膜作为电极，镀完金薄膜后，用小刀切去nafion117离子聚合物膜的边缘部分，防止两电极短路。

[0016] 具体地，所述步骤五连续的若干Z字形金薄膜的沉积时间为1h，每隔5min旋转样品台，翻一次面。

[0017] 作为优选，所述步骤二的在150-200℃温度下保持一段时间为1h。

[0018] 本发明方法制备的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，在电场作用下，阳离子在IPMC膜内会发生迁移，在富阳离子团簇一侧IPMC膜膨胀，在贫阳离子团簇一侧IPMC膜收缩，导致IPMC膜弯曲，由于事先设计了Z字形金薄膜电极，IPMC膜沿着Z字形方向弯曲，形成旋转形态的IPMC膜，同时提供了旋转轴方向的线性运动形式。本发明中银纳米粒子的作用是占据IPMC膜表面的孔隙，提高金薄膜电极与银纳米粒子和IPMC膜的结合力。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] (1)本发明的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，通过在nafion117离子聚合物膜两侧嵌入Ag纳米离子，使得银纳米粒子的作用是占据IPMC膜表面的孔隙，进一步在Ag纳米离子设置连续的若干Z字构型的金薄膜，由于银纳米粒子的作用使得金薄膜电极与银纳米粒子、nafion117离子聚合物膜的结合力更强。本发明提供了一种新型的运动形式，在电场的作用下，IPMC膜沿着金薄膜电极的Z字形方向弯曲和旋转，通过单片IPMC的弯曲旋转，可以使其沿着旋转轴方向的线性运动；且单片的IPMC膜，其占据的空间小，拓展了IPMC的应用。

[0021] (2)本发明的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，当Ag纳米粒子的直径为100-200nm；所述金薄膜电极的厚度为500-1000nm；所述连续的若干Z字形的金薄膜电极相邻两条金薄膜边之间的夹角为60-120°时，IPMC膜的良率最高，力输出性能最稳定。

[0022] (3)本发明的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，在柔性电致动智能材料、水下智能开关和低电压驱动等领域具有很大的应用前景。

[0023] (4)本发明的一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法，采用化学镀在Nafion117膜上沉积一层银纳米粒子，占据膜表面的孔隙，然后利用磁控溅射法在银纳米粒子上面沉积一层Z字形的金薄膜电极，获得一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元。该驱动单元结构简单，可重复性高，力输出性能稳定。

附图说明

[0024] 图1是单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的俯视结构示意图；

[0025] 图2是单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的侧视图；

[0026] 图3是单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元通电后的结构示意图。

[0027] 其中，1-nafion117离子聚合物膜，2-Ag纳米粒子，3-金薄膜。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的内容进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。居于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 实施例1

[0030] 一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法如下：

[0031] 步骤一，打磨nafion117离子聚合物膜，用W10(04号)金相砂纸，均匀按一个方向打磨。

[0032] 步骤二，将步骤一所得打磨后的nafion117离子聚合物膜放入盛有去离子水的烧杯中，浸泡10min，然后取出该离子聚合物膜放入另一个盛有去离子水的烧杯中，超声波清洗10min，再将该离子聚合物膜放入2mol/L的HCL中煮沸1h，加热温度为150℃，烧杯加盖子；最后，取出该离子聚合物膜，分别用去离子水清洗、双氧水煮沸、去离子水清洗和去离子水煮沸0.5h。

[0033] 步骤三，将步骤二所得的nafion117离子聚合物膜放入0.1mol/L的H2SO4中浸泡0.5h；然后取出nafion117离子聚合物膜放入0.01mol/L银氨溶液中浸泡12h，再将放有银氨溶液和nafion117离子聚合物膜的烧杯放在60℃的水浴池上水浴加熱，每隔10min滴1mL浓度为0.2mol/LNaBH4还原剂，每滴加一次NaBH4还原剂，水浴加热温度升高1℃，直到温度升到
70℃结束反应，反应过程中持续搅拌溶液，并给nafion117离子聚合物膜每隔5min翻一次面。

[0034] 步骤四，将步骤三所得nafion117离子聚合物膜取出，用去离子水超声清洗10min，然后放入0.1mol/L的HCL中，超声波振荡0.5h；最后，再次用去离子水清洗，获得具有金属光泽的nafion117离子聚合物膜。

[0035] 步骤五，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在步骤四所得的nafion117离子聚合物膜的两侧沉积一层连续的若干Z字形金薄膜作为电极，镀完金薄膜后，用小刀切去nafion117离子聚合物膜的边缘部分，防止两电极短路。其结构如图1-2所示。

[0036] 具体地，所述步骤五制备Z字形金薄膜的沉积时间为1h，每隔5min旋转样品台，翻一次面。

[0037] 对所得的单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元进行通电测试，当给IPMC膜电极两端施加5V电压时，该IPMC膜发生弯曲和旋转，并沿着旋转轴方向收缩做线性运动；当释放电压时，该IPMC膜慢慢旋转并伸直恢复原状；当施加-5V反向电压时，该IPMC膜沿着另外一个方向弯曲和旋转，同样做线性收缩运动，如图3所示。本发明的单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元结构简单，可重复性高，力输出性能稳定，拓展了IPMC的应用，在柔性电致动智能材料、水下智能开关和低电压驱动等领域具有很大的应用前景。

[0038] 实施例2

[0039] 一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法如下：

[0040] 步骤一，打磨nafion117离子聚合物膜，用W10(04号)金相砂纸，均匀按一个方向打磨；

[0041] 步骤二，将步骤一所得打磨后的nafion117离子聚合物膜放入盛有去离子水的烧杯中，浸泡10min，然后取出该nafion117离子聚合物膜放入另一个盛有去离子水的烧杯中，超声波清洗10min，再将该nafion117离子聚合物膜放入2mol/L的HCL中煮沸1h，加热温度为170℃，烧杯加盖子。最后，取出该nafion117离子聚合物膜，分别用去离子水清洗、双氧水煮沸、去离子水清洗和去离子水煮沸0.5h；

[0042] 步骤三，将步骤二所得的nafion117离子聚合物膜放入0.1mol/L的H2S04中浸泡0.5h；然后取出nafionl17离子聚合物膜放入0.01mol/L银氨溶液中浸泡12h，再将放有银氨溶液和nafion117离子聚合物膜的烧杯放在60℃的水浴池上，每隔10min滴1mL，0.3mol/LNaBH4还原剂，每滴加一次NaBH4还原剂，水浴加热温度升高1℃，直到温度升到70℃结束反应，反应过程中持续搅拌溶液，并给nafion117离子聚合物膜每隔5min翻一次面。

[0043] 步骤四，将步骤三所得nafion117离子聚合物膜取出，用去离子水超声清洗10min，然后放入0.1mol/L的HCL中，超声波振荡0.5h。最后，再次用去离子水清洗，获得具有金属光泽的nafion117离子聚合物膜。

[0044] 步骤五，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在步骤四所得的nafion117离子聚合物膜的两侧沉积一层连续的若干Z字形金薄膜作为电极，镀完金薄膜后，用小刀切去nafion117离子聚合物膜的边缘部分，防止两电极短路。其结构如图1-2所示。

[0045] 具体地，所述步骤五制备Z字形金薄膜的沉积时间为1h，每隔5min旋转样品台，翻一次面。

[0046] 所得单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的性能与实施例1类似。

[0047] 实施例3

[0048] 一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法如下：

[0049] 步骤一，打磨nafion117离子聚合物膜，用W10(04号)金相砂纸，均匀按一个方向打磨；

[0050] 步骤二，将步骤一所得打磨后的nafion117离子聚合物膜放入盛有去离子水的烧杯中，浸泡20min，然后取出该nafion117离子聚合物膜放入另一个盛有去离子水的烧杯中，超声波清洗20min，再将该nafion117离子聚合物膜放入2mol/L的HCL中煮沸1h，加热温度为180℃，烧杯加盖子。最后，取出该nafion117离子聚合物膜，分别用去离子水清洗、双氧水煮沸、去离子水清洗和去离子水煮沸0.5h。

[0051] 步骤三，将步骤二所得的nafion117离子聚合物膜放入0.1mol/L的H2SO4中浸泡0.5h；然后取出nafion117离子聚合物膜放入0.01mol/L银氨溶液中浸泡12h，再将放有银氨溶液和nafion117离子聚合物膜的烧杯放在60℃的水浴池上，每隔10min滴2mL，0.4mol/L NaBH4还原剂，每滴加一次NaBH4还原剂，水浴加热温度升高1℃，直到温度升到70℃结束反应，反应过程中持续搅拌溶液，并给nafion117离子聚合物膜每隔5min翻一次面。

[0052] 步骤四，将步骤三所得nafion117离子聚合物膜取出，用去离子水超声清洗10min，然后放入0.1mol/L的HCL中，超声波振荡0.5h；最后，再次用去离子水清洗，获得具有金属光泽的nafion117离子聚合物膜。

[0053] 步骤五，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在步骤四所得的nafion117离子聚合物膜的两侧沉积一层连续的若干Z字形金薄膜作为电极，镀完金薄膜后，用小刀切去nafion117离子聚合物膜的边缘部分，防止两电极短路。其结构如图1-2所示。

[0054] 具体地，所述步骤五制备Z字形金薄膜的沉积时间为1h，每隔5min旋转样品台，翻一次面。

[0055] 所得单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的性能与实施例1类似。

[0056] 实施例4

[0057] 一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的制备方法如下：

[0058] 步骤一，打磨nafion117离子聚合物膜，用W10(04号)金相砂纸，均匀按一个方向打磨。

[0059] 步骤二，将步骤一所得打磨后的nafion117离子聚合物膜放入盛有去离子水的烧杯中，浸泡15min，然后取出nafion117离子聚合物膜放入另一个盛有去离子水的烧杯中，超声波清洗15min，再将该nafion117离子聚合物膜放入2mol/L的HCL中煮沸1h，加热温度为200℃，烧杯加盖子；最后，取出nafion117离子聚合物膜，分别用去离子水清洗、双氧水煮沸、去离子水清洗和去离子水煮沸0.5h。

[0060] 步骤三，将步骤二所得的nafion117离子聚合物膜放入0.1mol/L的H2SO4中浸泡0.5h；然后取出nafion117离子聚合物膜放入0.01mol/L银氨溶液中浸泡12h，再将放有银氨溶液和nafion117离子聚合物膜的烧杯放在60℃的水浴池上，每隔10min滴2mL，0.2mol/LNaBH4还原剂，每滴加一次NaBH4还原剂，水浴加热温度升高1℃，直到温度升到70℃结束反应，反应过程中持续搅拌溶液，并给nafion117离子聚合物膜每隔5min翻一次面。

[0061] 步骤四，将步骤三所得nafion117离子聚合物膜取出，用去离子水超声清洗10min，然后放入0.1mol/L的HCL中，超声波振荡0.5h；最后，再次用去离子水清洗，获得具有金属光泽的nafion117离子聚合物膜。

[0062] 步骤五，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在步骤四所得的nafion117离子聚合物膜的两侧沉积一层连续的若干Z字形金薄膜作为电极，镀完金薄膜后，用小刀切去nafion117离子聚合物膜的边缘部分，防止两电极短路。其结构如图1-2所示。

[0063] 具体地，所述步骤五制备Z字形金薄膜的沉积时间为1h，每隔5min旋转样品台，翻一次面。

[0064] 所得单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元的性能与实施例1类似。

[0065] 实施例5

[0066] 如图1-2所示，一种单片螺旋形离子聚合物金属复合材料线性驱动单元，由实施例1-4制备而得，包括nafion117离子聚合物膜1，Ag纳米粒子2和金薄膜电极3；所述Ag纳米粒子2嵌于nafion117离子聚合物膜1两侧的表面；所述金薄膜电极3对称位于nafion117离子聚合物膜1两侧的Ag纳米粒子2上方，所述金薄膜电极3为连续的若干Z字形。

[0067] 具体地，所述Ag纳米粒子2的直径为100-200nm；所述金薄膜电极3的厚度为500-1000nm；所述连续的若干Z字形的金薄膜电极3相邻两条金薄膜之间构成的夹角为60-120°。

[0068] 具体地，所述nafion117离子聚合物膜1的尺寸为0.5cm×5cm，所述金薄膜电极3的宽度为0.2-0.5cm。

[0069] 具体地，所述的单片螺旋形离子聚合物金属复合材料的线性拉伸距离为1-3cm。

[0070] 如图3所示，当给离子聚合物金属复合材料膜(IPMC膜)电极两端施加5V电压时，该IPMC膜发生弯曲和旋转呈螺旋状，并沿着旋转轴方向收缩做线性运动。当释放电压时，该IPMC膜慢慢旋转并伸直恢复原状。当施加-5V反向电压时，该IPMC膜沿着另外一个方向弯曲和旋转，同样做线性收缩运动。

[0071] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上、在本发明的方法和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。