[发明专利]一种电活性聚合物材料及其制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种新型电活性聚合物材料及其制备方法，更具体地说，是涉及一种以纤维素和壳聚糖为基材的新型电活性聚合物材料及其制备方法。

背景技术  电活性材料是一类能够在外电场诱导下，产生形变，从而产生力学响应的材料。电活性材料的响应形式可以有弯曲、收缩或膨胀等，从而可以实现驱动、紧固、传感等功能。由于这类材料直接受外界信号刺激产生运动，用这类材料作为驱动装置可以构造成新型的产品、机电系统或机器人(动物)，其中不需要常规机械驱动装置，诸如马达、机轴、齿轮等，大大减轻了系统的重量，改变了传统的机器的概念，为未来异型机器或系统提供了广阔的创新空间，从而引起了众多研究人员和工程师、技术人员的关注。电活性材料开发应用可追溯到1880年，伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变。之后在1925年压电聚合物被发现并被用作传感器。1949年Katchalsky发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀，这是聚合物材料的化学响应性被首次发现。1969年，研究者发现聚偏氟乙烯材料具有较大的压电效应，人们开始把目光投向其聚合物体系，之后大量具有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。随着电活性材料研究的不断深入和发展，其巨大的应用前景已呈现在人们面前。电活性材料可作为人工肢体和人造器官、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术的发展。目前国际上研究目标之一是制造“昆虫”机器人，可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器，可用于制造无噪声的微型舰船。基于此构想，电活性聚合物的第一个商业用途早已实现，但仅作为玩具。2002年12月，日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼，可以在水中自由地游弋，这是电活性聚合物发展史上的一个里程碑。目前电活性聚合物材料已经被开发的科学应用领域主要有：飞行器、可控制织物、机器人、医疗等，然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制，电活性聚合物材料可以分为电子型和离子型两大类。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系。这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物等；离子型聚合物即电流活性材料，包括离子聚合物、聚合物电解质凝胶、导电聚合物等，因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的。由于电子比离子移动的更快些，电子型聚合物的反应时间较短，仅几微秒，其能量密度也较大，并可长时间在空气中运行，而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。但是，电子型聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150MV/m)。电子型与离子型两种电活聚合物性材料各有优缺点。电子型电活聚合物性材料的优点在于其可以在室内环境下长时间的驱动，响应速度快，响应时间为微秒级；可以在电场下长时间的保持应变状态，能够产生相对较大的驱动力；缺点是需要很高的驱动电场，一般得150MV/m，电压至少在1KV以上，应力和应变相互妥协，应变大则所产生应力小，应力大则应变小。由于玻璃化转变温度的影响，电子型电活聚合物性材料不适合在低温下工作。铁电聚合物材料由于居里温度的限制，不适合高温环境工作。离子型电活聚合物性材料的优点是在1～7V的低电压下能够产生大的弯曲应变，通过施加电压方向的调整可实现可控双向驱动；缺点是除了导电聚合物和碳纳米管复合材料，其它离子型在电场下不能维持应变状态，而且响应速度较慢，弯曲应变产生的应力相对较小，除导电聚合物，其它类型很难得到均匀的材料，尤其是离子聚合物-金属复合材料。如何能够综合电子型与离子型两种电活聚合物性材料的优点，这是电活聚合物性材料迈向商业应用必须解决的关键问题之一。

发明内容  本发明的目的是以纤维素和壳聚糖为基材，将其应用于电活性材料中，提出了一种新型的纤维素和壳聚糖为主要组成的新型电活性聚合物材料及其制备方法。该电活性材料既兼具了电子型与离子型两种电活聚合物性材料的优点，同时又具有原料来源广泛、成本低、加工工艺简单、环境可降解等优点。

本发明采用下述技术方案实现：