[发明专利]离子聚合物装置及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型离子聚合物装置结构以及制备能够被配置作为致动器(actuator)、传感器和转换器(transducers)的离子聚合物装置的新型方法。

背景技术

离子聚合物或含离子键的聚合物复合材料是电活性聚合物和功能性智能材料的新兴类型之一，其可以被制成软弯曲的致动器和传感器。该材料最初被制造用于燃料电池应用，直到1992年才发现其独特的仿生传感-致动性能。典型的离子聚合物致动器/传感器元件包括在中间的薄聚电解质离子交换聚合物膜作为介电层，以及在所述含离子键的聚合物膜的相反两表面上的电镀金属层作为电极。所述离子交换聚合物通常具有憎水性主链和带负电的亲水性官能团(阴离子)作为侧链。这些侧链与带正电的移动阳离子结合。当所述离子交换聚合物吸收溶剂时，在所述聚合物基体内形成相互连接的包含溶剂的簇网。当阴离子被固定在聚合物主链(聚合物基体)上时，在进行电激励时阳离子在溶剂内从一簇自由移动到另一簇。传统的离子聚合物复合材料使用全氟化的离子交换聚合物作为基础聚合物，例如全氟-磺酸聚合物和全氟-羧酸聚合物这些材料是柔性的且具有小的机械刚度。

当对离子聚合物致动器施加电位时，未键合的阳离子能够通过溶剂移入簇中或从簇中移出，并且在离子聚合物内重新分布以形成阳极和阴极界面层。通过弹性阻力平衡的静电力和渗透压力的变化促使溶剂进入界面层簇或从界面层簇中移出，并且引起在该界面层上的相互连接簇的体积变化。这种体积变化导致致动器的变形或弯曲。电荷分布和吸水量的变化可以通过相关联的化学-电-机械公式计算。

由于离子聚合物材料的紧凑的尺寸、轻的重量和由所制得的材料切割成任意形状的能力，所以它提供显著优于常规的机电材料和系统的优点。所制造的装置要求仅仅适中的操作电压。离子聚合物致动器能够通过产生大的弯曲变形来响应小的电刺激，而离子聚合物传感器通过产生电信号来响应机械变形(或振动)。离子聚合物的突然弯曲产生小的电压(在mV的范围内)。此外，通过改变微结构、电输入、阳离子组成以及溶剂的类型和量，可以设计致动/传感功能。该材料是生物相容的，并且可以在各种溶剂中进行操作。它可以被开发为提供用于生物医学和机器人应用的新型自集成材料体系。

能够影响基于离子聚合物的传感器/致动器的相关联的化学-电-机械响应的许多因素之一是电极形态和有效电容。在离子聚合物装置上形成电极的传统制备方法包括：首先使已经固化的聚合物膜的表面粗糙并且进行清洗；使能够进行化学还原的物质从聚合物表面上被吸收；以及还原所吸收的物质以形成电极。它通常需要重复吸收和还原步骤以使更多的物质扩散到所述离子聚合物膜中，从而需要过长且昂贵的工艺。然而，物质扩散进入聚合物膜中仍限于离膜表面小于约20微米。不仅制备过程昂贵，而且离子聚合物致动器/传感器的性能也受到导电材料的扩散限制的影响。

发明内容

本发明的目的是提供新型离子聚合物装置或离子聚合物致动器/传感器，以及使得具有更为简单、便宜和快速制备工艺的制备技术。该制备方法通过在聚合物相和导电相或电极之间产生大的界面面积来增加离子聚合物装置的电容，从而改善其致动性能和灵敏度。

本发明的方法和装置各自具有几个方面，并且每个方面不仅只负责其所希望的特性。不限于本发明的范围，将简要讨论更为显著的特征。

一些实施方式提供一种离子聚合物复合材料装置，其包含两个延伸的电极层和在所述两个延伸的电极层之间的包含第二离子聚合物的介电层，每个延伸的电极层包含第一离子聚合物和多个导电颗粒，其中所述第二离子聚合物是第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。

一些实施方式提供一种离子聚合物复合材料装置，其包含：两个延伸的电极层和介电层，每个延伸的电极层包括含有具有高溶胀比的第一离子聚合物的许多区域和包含具有基本上连续的三维网络结构的聚合物的基体相，其中所述多个区域被嵌入所述基体相中；该介电层在所述两个延伸的电极层之间，包含第二离子聚合物，其中所述第二离子聚合物是第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。

在一些实施方式中，所述磺化的聚醚砜聚合物是由如下化学式之一表示的：

(化学式I)

其中x为约30～约70；

(化学式II)

其中R是H或F，y和z中的每个为约30～约70；以及

(化学式III)

其中A独立地为或OH，至少一个A是