高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法

摘要

本发明公开了高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，本发明以商用Nafion离子交换膜为基体，采用醇辅助化学镀的方法，选用两种不同的金属，在Nafion薄膜表面制备了均匀、致密的钯、铂电极，与传统的电镀相比，本发明极大地降低了制备金属电极的时间成本与经济成本，与传统Nafion人工肌肉的铂电极相比，本发明所提供的钯、铂电极具有更好的性能，大大加快了电驱动人工肌肉的响应速度，本发明在2V～8V、0.1Hz～30Hz的电压驱动下，就可以产生较大的形变和位移，且响应十分迅速，可以同时实现大形变和快速响应，这种高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器在柔性机器人、人造肌肉、传感器等领域有着广阔的应用前景和使用价值。

权利要求

1.高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、以Nafion薄膜为基体材料，将其裁剪成边长为30mm～50mm的正方形，用1000目砂纸对Nafion膜上下表面均进行打磨，使表面粗化，将Nafion薄膜在去离子水中进行超声清洗10min～15min，将Nafion薄膜置于过氧化氢水溶液中浸泡4h～6h，取出，再将Nafion薄膜放在去离子水中煮沸0.5h～1.5h，将薄膜取出后置于硫酸溶液中浸泡4h～6h，然后，再次将Nafion膜放在去离子水中煮沸0.5h～1.5h；

步骤二、通过醇辅助的方法，在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀，从而制备高质量的，致密且均匀的金属电极；

所述通过醇辅助的方法，在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀，从而制备高质量的，致密且均匀的金属电极包括以下步骤：

1)将预处理过后的Nafion薄膜置于质量分数为0.4％～0.7％的四氨合氯化钯水溶液中浸泡1h～2h，使钯氨离子充分渗透进入Nafion膜内；

2)将吸附离子后的Nafion薄膜转移到体积比为1：3的异丙醇/水混合溶液中，而后将异丙醇/水混合溶液加热升温并最终维持在40℃～45℃，滴加5mL～7mL质量分数为4％～7％的硼氢化钠水溶液进行还原反应，共重复滴加10～15次，每次间隔20min～30min，且此过程中溶液需剧烈搅拌，硼氢化钠可以使Nafion膜上的钯氨离子被还原成为钯纳米颗粒并沉积在膜表面，这种多次少量的还原方法可以在Nafion薄膜表面得到更致密、均匀的金属电极；

3)将经过一次化学镀的Nafion薄膜取出，置于质量分数为0.4％～0.7％的四氨合氯化铂水溶液中浸泡22h～24h，使Nafion薄膜表面吸附铂氨离子；

4)重复步骤2)，使铂氨离子被还原成铂纳米颗粒，最后，在Nafion薄膜的表面得到了均匀且质密的钯、铂双层电极；当加持电压为±8V，频率为0.1Hz时，末端位移最大，可以达到

12.6mm；

步骤三、使用真空干燥箱以80℃～85℃的温度对Nafion薄膜进行干燥，除去水分子，然后将Nafion薄膜置于去离子水中使其充分吸水溶胀，最后，将Nafion薄膜置于饱和的氯化锂水溶液中浸泡40h～48h，使溶液中的正一价锂离子被充分地置换进入膜内。

2.根据权利要求1所述的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，其特征在于：所述Nafion薄膜的厚度为120μm～200μm。

3.根据权利要求1所述的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，其特征在于：所述过氧化氢水溶液质量分数为4％～7％。

4.根据权利要求1所述的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，其特征在于：所述硫酸溶液的质量分数为4％～7％。

说明书

高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新型智能材料技术领域，特别涉及高性能电驱动全氟磺酸IPMC 柔性驱动器的制备方法。

背景技术

[0002] 电活性聚合物(EAP)是一种具备驱动性能的新型智能高分子材料，在外加电场的作用下，电活性聚合物可以进行弯曲、伸长、收缩、扭转等动作，由于其致动性能与生物肌肉
非常相似，并且生物相容性较好，也被称为“人造肌肉”。按照工作原理，电活性聚合物可以
分为电子型和离子型两大类，其中，电子型EAP通过施加上千伏的高电压来生成驱动力，而
离子型EAP的驱动力则源于低压电场下聚合物内部离子的扩散和迁移，相比于前者，后者在
能耗与安全性上有着很大的优势。离子聚合物‑金属复合材料(IPMC)是离子型电活性聚合
物的一种，它在较低的驱动电压条件下就能够产生较大的位移和形变，还具有驱动能量密
度高、柔性好、质量轻、无噪声、可操作性强等优点，可以很好地满足人造肌肉的需求，全氟
磺酸(Nafion)离子交换膜是应用的最广泛的离子型电活性聚合物基体之一，在外加电场作
用下，膜内的水合阳离子向阴极迁移，由于阴极发生溶胀而阳极发生缩水，薄膜就会向阳极
的方向发生弯曲。目前，以Nafion 薄膜为基础的人造肌肉发展并不完善，如大形变和快速
响应很难同时实现，这很大程度限制了Nafion人造肌肉的发展及应用，为了提升Nafion人
造肌肉的性能，本发明选用了钯和铂两种不同的金属，分两次进行醇辅助化学镀来形成复
合电极，从而制备出可快响应、大变形的、高性能电驱动的全氟磺酸IPMC柔性驱动器。

发明内容

[0003] 本发明目的在于解决传统Nafion IPMC柔性驱动器很难同时实现大形变和快速响应的不足，提供高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，本发明选取稳定性较
高的金属钯和铂作为电极，制备出一种高性能电驱动的全氟磺酸IPMC柔性驱动器。

[0004] 高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤一、以Nafion薄膜为基体材料，将其裁剪成边长为30mm～50mm的正方形，用1000目砂纸对Nafion膜上下表面均进行打磨，使表面粗化，将Nafion 薄膜在去离子水中进
行超声清洗10min～15min，将Nafion薄膜置于过氧化氢水溶液中浸泡4h～6h，取出，再将
Nafion薄膜放在去离子水中煮沸0.5h～1.5h，将薄膜取出后置于硫酸溶液中浸泡4h～6h，
然后，再次将Nafion膜放在去离子水中煮沸0.5h～1.5h；

[0006] 步骤二、通过醇辅助的方法，在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀，从而制备高质量的，致密且均匀的金属电极；

[0007] 步骤三、使用真空干燥箱以80℃～85℃的温度对Nafion薄膜进行干燥，除去水分子，然后将Nafion薄膜置于去离子水中使其充分吸水溶胀，最后，将 Nafion薄膜置于饱和
的氯化锂水溶液中浸泡40h～48h，使溶液中的正一价锂离子被充分地置换进入膜内。

[0008] 所述通过醇辅助的方法，在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀，从而制备高质量的，致密且均匀的金属电极包括以下步骤：

[0009] 1)将预处理过后的Nafion薄膜置于质量分数为0.4％～0.7％的四氨合氯化钯水溶液中浸泡1h～2h，使钯氨离子充分渗透进入Nafion膜内；

[0010] 2)将吸附离子后的Nafion薄膜转移到体积比为1：3的异丙醇/水混合溶液中，而后将异丙醇/水混合溶液加热升温并最终维持在40℃～45℃，滴加5mL～7mL 质量分数为4％
～7％的硼氢化钠水溶液进行还原反应，共重复滴加10～15次，每次间隔20min～30min，且
此过程中溶液需剧烈搅拌，硼氢化钠可以使Nafion膜上的钯氨离子被还原成为钯纳米颗粒
并沉积在膜表面，这种多次少量的还原方法可以在Nafion薄膜表面得到更致密、均匀的金
属电极；

[0011] 3)将经过一次化学镀的Nafion薄膜取出，置于质量分数为0.4％～0.7％的四氨合氯化铂水溶液中浸泡22h～24h，使Nafion薄膜表面吸附铂氨离子；

[0012] 4)重复步骤2)，使铂氨离子被还原成铂纳米颗粒，最后，在Nafion薄膜的表面得到了均匀且质密的钯、铂双层电极；

[0013] 所述Nafion薄膜的厚度为120μm～200μm；

[0014] 所述过氧化氢水溶液质量分数为4％～7％；

[0015] 所述硫酸溶液的质量分数为4％～7％。

[0016] 本发明的工作原理和过程：

[0017] 本发明所制备的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器，是采用醇辅助化学镀的方法，在Nafion离子交换膜基体表面先后制备一层钯电极和一层铂电极，最后进行充分的
离子交换，使阳离子被置换进入膜内而得到的，本发明够在较低的电压下快速响应并产生
较大的弯曲形变，离子交换过程使Nafion薄膜内充满了大量的正一价的锂离子，在Nafion
+ +
薄膜的上下表面施加2V～8V的电压后，Nafion薄膜的阳离子Li会向阴极扩散，与此同时Li
会带动膜内的水分子一起向阴极侧迁移，致使Nafion薄膜的阴极由于水变多而膨胀，而阳
极则失水发生收缩，使整个Nafion薄膜向阳极侧弯曲，从而产生了变形的驱动力。

[0018] 本发明的有益效果：

[0019] 本发明提供的电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器材料，以商用Nafion离子交换膜为基体，采用醇辅助化学镀的方法，选用两种不同的金属，在Nafion薄膜表面制备了均匀、致
密的钯、铂电极，与传统的电镀相比，本发明极大地降低了制备金属电极的时间成本与经济
成本，与传统Nafion人工肌肉的铂电极相比，本发明所提供的钯、铂电极具有更好的性能，
大大加快了电驱动人工肌肉的响应速度，本发明在2V～8V、0.1Hz～30Hz的电压驱动下，就
可以产生较大的形变和位移，且响应十分迅速，可以同时实现大形变和快速响应，这种高性
能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器在柔性机器人、人造肌肉、传感器等领域有着广阔的应
用前景和使用价值。

附图说明

[0020] 图1是本发明工作原理图；

[0021] 图2是本发明制备流程图；

[0022] 图3是本发明在频率为0.1Hz的电压驱动下，末端位移随着时间变化的曲线；

[0023] 图4是本发明最大位移随着驱动电压不同而变化的曲线。

具体实施方式

[0024] 请参阅图1至图4所示，高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：

[0025] 步骤一、采用杜邦公司生产的Nafion 117薄膜厚度为180μm，将其裁剪成边长为30mm的正方形小片，使用1000目砂纸对Nafion薄膜上下表面均进行打磨使薄膜表面粗化，
随后将膜在去离子水中进行超声清洗10min，将Nafion薄膜置于质量分数为5％的过氧化氢
水溶液中浸泡4h，取出，然后将Nafion薄膜在去离子水中煮沸，持续1h，将薄膜取出，置于质
量分数为5％的硫酸溶液中浸泡4h，然后再次在去离子水中煮沸，持续1h，Nafion薄膜在经
过上述预处理后，表面粗糙度增加，经吸水溶胀，变得柔软且透明；

[0026] 步骤二、通过醇辅助的方法，在Nafion薄膜表面进行多次的化学镀，从而制备高质量的，致密且均匀的金属电极；

[0027] 1)将预处理过后的Nafion薄膜置于质量分数为0.5％的四氨合氯化钯水溶液中浸泡2h，使钯氨离子充分渗透进入Nafion膜内；

[0028] 2)将Nafion薄膜置于异丙醇与水体积比为1：3的混合溶液中，浸泡使Nafion 薄膜充分吸水溶胀，将异丙醇与水的混合溶液加热至40℃并保持该温度，在剧烈搅拌下，滴加
5mL质量分数为5％的硼氢化钠水溶液作为还原剂，重复十次，每次间隔30min，经过还原剂
的作用，Nafion薄膜表面吸附的钯氨离子会被还原成单质钯，这种多次少量的方法可以使
Nafion薄膜表面的金属钯更加均匀、致密；

[0029] 3)将经过一次化学镀的Nafion薄膜取出，置于质量分数为0.5％的四氨合氯化铂水溶液中浸泡24h，使Nafion薄膜表面吸附铂氨离子；

[0030] 4)重复步骤2)，使铂氨离子被还原，最后，在Nafion薄膜的表面得到了均匀且质密的钯、铂双层电极；

[0031] 步骤三、使用真空干燥箱以80℃的温度对Nafion薄膜进行干燥，除去水分子，然后将Nafion薄膜置于去离子水中使其充分吸水溶胀，最后，将Nafion薄膜置于饱和的氯化锂
水溶液中浸泡46h，使溶液中的正一价锂离子充分地置换进入膜内。

[0032] 实施例一

[0033] 如图1所示，本发明所提供的一种高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器的制备流程有：Nafion薄膜的表面粗化，去除Nafion薄膜上的杂质，然后在薄膜首先进行化学镀
钯，之后在薄膜表面再化学镀一层铂，这样就使柔性驱动器具有了钯、铂复合电极，最后将
+
薄膜置于饱和氯化锂溶液中进行离子交换，使水合阳离子Li充分的进入膜内。

[0034] 实施例二

[0035] 本发明所提供的高性能电驱动全氟磺酸IPMC柔性驱动器可以在较低的电压加持下发生较大的变形，并且响应速度非常快。利用函数发生器输出一定频率的方波函数电压
施加在柔性驱动器上下表面的复合电极上，并利用激光位移测试系统测试了驱动器末端的
位移变化，具体数据如表1所示：

[0036] 表1 Nafion人工肌肉在不同频率不同偏压下的最大位移

[0037]

[0038] 随着电压的增加，柔性驱动器的末端最大位移也随之增大，图2展示了Nafion在频率为0.1Hz的不同电压的加持下，驱动器末端位移随着时间变化的曲线，由图可以看出，加
持电压越大，末端位移量就越大，图3展示了柔性驱动器在不同频率的条件下，末端最大位
移与加持电压的关系曲线，由图可以得知，当加持电压为±8V，频率为0.1Hz时，末端位移最
大，可以达到12.6mm。