基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110302844.1
文献号 : CN113088944B
文献日 : 2022-02-11
发明人 : 秦立果 , 龚朝永 , 杨雷 , 张辉 , 杨浩 , 孙红江 , 曾群锋 , 张雅利 , 董光能
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,将具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片放入石英玻璃模具中,再将Nafion溶液和N,N‑二甲基甲酰胺的混合溶液倒入石英玻璃模具中,然后加热成膜后退火,获得具有微结构的Nafion膜;
采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层,得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物,剪裁,得到基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料;
其中,采用化学镀的方法在具有微结构的Nafion膜表面沉积贵金属电极层,得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物的具体过程为:将具有微结构的Nafion膜经过离子吸附、主化学镀、次化学镀和离子交换,得到表面具有微结构的IPMC电活性聚合物。
2.根据权利要求1所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,仿生鲨鱼盾鳞微结构包括若干微单元,每个微单元为对称结构,每个单元包括中心凸起,中心凸起的一侧设置有第一凸起与第二凸起,中心凸起的另一侧对称设置有第三凸起与第四凸起;第一凸起的长度小于中心凸起,第二凸起的长度小于第三凸起。
3.根据权利要求2所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,Nafion溶液和N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为4:1。
4.根据权利要求1所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,加热成膜的具体过程为:在60‑70℃加热20‑26h成膜,然后在90‑100℃保持3‑4h,最后于125‑135℃保持0.5‑1.5h。
5.根据权利要求4所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,离子吸附的具体过程为:将[Pt(NH3)4]Cl2加入到水中,然后加入5wt%的氨水溶液,得到混合液;在室温和避光条件下,将具有微结构的Nafion膜浸泡在混合溶液中12‑14h,使得每平方厘米膜上铂的质量为3‑3.5mg;其中,[Pt(NH3)4]Cl2与氨水溶液的比为257‑300mg:
1mL。
6.根据权利要求4所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,主化学镀的具体过程为:将经过离子吸附的膜水中,加热至40‑43℃,每隔半小时加入NaBH4溶液,并将温度升高2‑3℃,直到温度升至61‑64℃时,加入NaBH4溶液,反应2‑4h后浸泡在盐酸溶液中10‑18h。
7.根据权利要求4所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,次化学镀的具体过程为:将171‑199mg的铂氨复合物和80‑100mL水配制成次镀液,将经过主化学镀的膜放入次镀液中,并加热至42℃,每隔半小时加入NH2OH·Cl溶液和NH2NH2·1.5H2O溶液一次,并将温度升高3℃,直到温度升至62℃,再将膜浸泡在盐酸溶液中
10‑18h;其中,铂氨复合物与水的比为171‑199mg:80‑100mL。
8.根据权利要求4所述的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料的制备方法,其特征在于,离子交换的具体过程为:将LiCl和LiOH,加入去离子水配成交换液,将经过次化学镀+ +
的膜并浸泡在交换液中,将膜中的H替换成Li,得到IPMC材料。
9.一种根据权利要求1‑8中任意一项所述的方法制备的基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料。
说明书 :
基于IPMC电活性聚合物的主动减阻材料及其制备方法
技术领域
背景技术
阻,自清洁表面减阻和非光滑表面减阻等,这些减阻技术表面的沟槽等微结构通常采用机
械加工和模板复制等方法在基材表面加工形成非光滑微观形貌。这种加工形成的表面形貌
一旦成型就无法改变,所以这样的减阻表面只能在特定的流场环境中使用,当水流速度和
流场边界条件改变时,它的减阻效果就会逐渐减弱甚至出现增阻现象,其应用具有很大的
局限性。
发明内容
电活性聚合物的主动减阻表面及其制备方法,基于IPMC电活性材料的减阻表面,可以根据
流场环境改变表面微观形貌,使其始终处于最佳的减阻结构,大大提高了表面的减阻性能,
能在复杂多变的流场环境中仍然保持较好的减阻效果,改进了现有的表面减阻技术。
璃模具中,然后加热成膜后退火,获得具有微结构的Nafion膜;
起的另一侧对称设置有第三凸起与第四凸起;第一凸起的长度小于中心凸起,第二凸起的
长度小于第三凸起。
的Nafion膜经过离子吸附、主化学镀、次化学镀和离子交换,得到表面具有微结构的IPMC电
活性聚合物。
膜浸泡在混合溶液中12‑14h,使得每平方厘米膜上铂的质量为3‑3.5mg;其中,[Pt(NH3)4]
Cl2)与氨水溶液的比为257‑300mg:1mL。
时,加入NaBH4溶液,反应2‑4h后浸泡在盐酸溶液中10‑18h。
时加入NH2OH·Cl溶液和NH2 NH2·1.5H2O溶液一次,并将温度升高3℃,直到温度升至62℃,
再将膜浸泡在盐酸溶液中10‑18h;其中,铂氨复合物与水的比为171‑199mg:80‑100mL。
水配成交换液,将经过次化学镀的膜并浸泡在交换液中,将膜中的H替换成Li ,得到IPMC材
料。
面;该表面材料可以在外部流场环境的压力下产生电信号,通过分析产生的信号可以提取
周围流场的信息,对周围流场信息处理之后可以采用特定的控制策略即根据处理结果对材
料表面施加一定的电信号,来控制表面产生达到较大减阻效果的变形;该自主减阻表面上
复刻了被动减阻的微结构,主动减阻和被动减阻相结合,因为材料能够变形,另外,有微结
构,两者结合极大地提高了表面的减阻效果。与传统的被动减阻表面相比,减阻率提高了4
倍左右,与主动减阻表面相比,减阻率提高了30%左右。
附图说明
具体实施方式
掉模板表面的碎屑,获得具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的硅片。
有第三凸起与第四凸起。第三凸起与第一凸起关于中心凸起对称,第四凸起与第二凸起关
于中心凸起对称。
液浇铸到石英玻璃模具中,将混合溶液搅拌5min使得混合均匀,并超声除去溶液中的气泡,
将混合溶液于60‑70℃加热22‑26h成膜,初步成膜后将温度提高到90‑100℃加热2‑3h,再将
温度升高到125‑135℃保持0.5‑1.5h后退火,自然冷却至室温,获得具有微结构的Nafion
膜,具有微结构的Nafion膜的厚度为0.3‑0.7mm;退火的目的是去除Nafion膜的残余应力,
提高其力学性能。
IPMC电活性聚合物厚度为0.5mm‑0.7mm。
质,2mol/L的盐酸溶液80‑90℃水浴加热20‑30min,最后用去离子水80‑90℃水浴加热30‑
40min,得到具有如图3所示的表面形貌的处理后的基膜;从图3可以看出,与处理前的透明
光滑膜表面相比,处理后的膜表面非常粗糙,便于后续的电极层生成。
衡,得到混合液;在室温和避光条件下,将处理后的基膜浸泡在混合溶液中12‑14h,使得每
平方厘米膜上铂的质量为3‑3.5mg。
NaBH4溶液,同时温度升高2‑3℃,直到温度升至61‑64℃时,加入25‑35mL质量浓度5%的
NaBH4溶液,反应2‑4h后停止,然后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中10‑
18h。
42℃;每隔半小时加入4‑6mL的质量浓度5%NH2OH·Cl溶液和2‑4mL的质量浓度20%
NH2NH2·1.5H2O溶液,同时温度升高3℃,直到温度升至62℃,然后用去离子水清洗并浸泡在
质量浓度0.2%的盐酸溶液中10‑18h。
+ +
IPMC材料。该步骤的目的是,将材料内部的阳离子H替换成金属阳离子Li。
属,形成IPMC材料。
80%,速度为400mm/s,加工数目2次,得到如图2所示的微结构。再次用去离子水和无水乙醇
清洗硅片,将硅片表面的加工碎屑清洗干净,获得具有微结构的硅片。
模具中,加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高,可以减缓溶剂的挥发,从而阻止Nafion溶液
在凝固成膜的过程中产生裂纹;将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h,使溶液混合均匀,然后超
声处理30min,除去溶液中的气泡;将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理:初始温度设
置为65℃加热24h,待溶剂完全挥发后成膜,再将温度升高到90℃保持3h,最后将将温度升
高到130℃保持1h后退火,自然冷却至室温,去除Nafion膜的残余应力,获得具有如图2所示
微结构的Nafion膜。
液80℃水浴加热20min,最后用去离子水80℃水浴加热30min,得到如图3所示的表面形貌的
Nafion膜;从图3可以看出,与处理前的透明光滑膜表面相比,处理后的膜表面非常粗糙,便
于后续的电极层生成。
液;在室温和避光条件下,将处理好的膜浸泡在混合溶液中12h。该步骤的目的是为了在膜
表面初步生成金属电极层。
度升高3℃;直到温度升至62℃时,加入30mL质量浓度5%的NaBH4溶液,反应2h后停止,然后
用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中12h。
时加入5mL的质量浓度5%NH2OH·Cl溶液和3mL的质量浓度20%NH2 NH2·1.5H2O溶液,同时
温度升高3℃;直到温度升至62℃,然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2%的盐酸溶
液中12h。该步骤重复2次,以便获得较为均匀致密的铂金属电极层,如图4所示。
的变形能力,将IPMC材料剪裁成长条形(长×宽,35mm×5mm),通过测试平台对其性能进行
测试,得到如图6中(a)和(b)所示的位移和力测试结果。从图6中(a)和(b)可以看出,减阻表
面能够在水中产生变形。
其最大减阻率可以达到19.6%左右,如图7所示。
80%,速度为400mm/s,加工数目2次,得到微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片,将
硅片表面的加工碎屑清洗干净,获得具有微结构的硅片。
模具中,加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高,可以减缓溶剂的挥发,从而阻止Nafion溶液
在凝固成膜的过程中产生裂纹;将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h,使溶液混合均匀,然后超
声处理30min,除去溶液中的气泡;将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理:初始温度设
置为60℃加热26h,待溶剂完全挥发后成膜,再将温度升高到90℃保持3h,最后将将温度升
高到125℃保持1.5h后退火,自然冷却至室温,去除Nafion膜的残余应力,获得具有厚度为
0.5mm的仿生鲨鱼盾鳞微结构的Nafion膜。
溶液90℃水浴加热30min,最后用去离子水90℃水浴加热30min,得到处理好的Nafion膜。
浸泡在混合溶液中12h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
度升高2℃;直到温度升至61℃时,加入25mL质量浓度5%的NaBH4溶液,反应2h后停止,然后
用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中18h。
时加入4mL的质量浓度5%NH2OH·Cl溶液和2mL的质量浓度20%NH2 NH2·1.5H2O溶液,同时
温度升高3℃;直到温度升至62℃,然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2%的盐酸溶
液中18h。该步骤重复2次,以便获得较为均匀致密的铂金属电极层。
80%,速度为400mm/s,加工数目2次,得到微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片,将
硅片表面的加工碎屑清洗干净,获得具有微结构的硅片。
模具中,加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高,可以减缓溶剂的挥发,从而阻止Nafion溶液
在凝固成膜的过程中产生裂纹;将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h,使溶液混合均匀,然后超
声处理30min,除去溶液中的气泡;将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理:初始温度设
置为70℃加热22h,待溶剂完全挥发后成膜,再将温度升高到100℃保持2h,最后将将温度升
高到130℃保持1h后退火,自然冷却至室温,去除Nafion膜的残余应力,获得厚度为0.3mm的
具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的Nafion膜。
溶液85℃水浴加热25min,最后用去离子水80℃水浴加热40min,得到处理好的Nafion膜。
浸泡在混合溶液中13h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
度升高3℃;直到温度升至621℃时,加入30mL质量浓度5%的NaBH4溶液,反应3h后停止,然
后用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中10h。
时加入5mL的质量浓度5%NH2OH·Cl溶液和4mL的质量浓度20%NH2 NH2·1.5H2O溶液,同时
温度升高3℃;直到温度升至62℃,然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2%的盐酸溶
液中15h。该步骤重复3次,以便获得较为均匀致密的铂金属电极层。
80%,速度为400mm/s,加工数目2次,得到微结构。再次用去离子水和无水乙醇清洗硅片,将
硅片表面的加工碎屑清洗干净,获得具有微结构的硅片。
模具中,加入DMF的目的是由于DMF的沸点较高,可以减缓溶剂的挥发,从而阻止Nafion溶液
在凝固成膜的过程中产生裂纹;将混合溶液用磁力搅拌器搅拌2h,使溶液混合均匀,然后超
声处理30min,除去溶液中的气泡;将浇铸模具放入真空干燥箱中进行热处理:初始温度设
置为65℃加热24h,待溶剂完全挥发后成膜,再将温度升高到90℃保持3h,最后将将温度升
高到135℃保持0.5h后退火,自然冷却至室温,去除Nafion膜的残余应力,获得厚度为0.7mm
的具有仿生鲨鱼盾鳞微结构的Nafion膜。
溶液80℃水浴加热20min,最后用去离子水85℃水浴加热35min,得到处理好的Nafion膜。
浸泡在混合溶液中14h。该步骤的目的是为了在膜表面初步生成金属电极层。
度升高3℃;直到温度升至64℃时,加入35mL质量浓度5%的NaBH4溶液,反应4h后停止,然后
用去离子水清洗并浸泡在0.2mol/L的盐酸溶液中15h。
时加入6mL的质量浓度5%NH2OH·Cl溶液和3mL的质量浓度20%NH2 NH2·1.5H2O溶液,同时
温度升高3℃;直到温度升至62℃,然后用去离子水清洗并浸泡在质量浓度0.2%的盐酸溶
液中10h。该步骤重复2次,以便获得较为均匀致密的铂金属电极层。
两个电极层构成,在受到外界压力时能变形产生电信号,具有自主感知外部流场环境变化
的功能;通过模板复刻的方法,在IPMC表面引入仿生减阻微结构单元,随流场的变化通过施
加电压(3‑5V)产生变形,达到动态调整表面的微观形貌实现流场的主动控制,从而获得具
有智能减阻的复合表面;较传统微观形貌固定的减阻表面相比,克服了仅在特定的流场环
境中具有减阻效果的局限性,本发明基于IPMC的主动减阻表面结合传统减阻表面的微结
构,可以满足各种复杂的流场环境,极大的拓宽了仿生表面的应用条件,并大大提高表面的
减阻性能。