[发明专利]聚吲哚涂层纤维素膜电活性材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及聚吲哚涂层纤维素膜电活性材料及该电活性材料的制备方法。

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。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。电子型也被称为干驱动体系，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；离子型因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要包括离子聚合物、聚合物电解质凝胶、导电聚合物等。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)、能够产生相对较大的驱动力；缺点是需要很高的驱动电压(一般在千伏以上)。离子型电活聚合物性材料的优点是在低电压下能够产生大的弯曲应变；缺点是必须在湿态环境下工作、响应速度较慢、产生的应力相对较小、而且很难得到均匀的材料。

目前，国际上电活性材料的研究均集中在这些合成聚合物材料上，而这些材料均需消耗石油资源，废弃物也会造成环境破坏，而且制造费用也很高，是制约电活性聚合物大规模应用的一个重要因素。纤维素是地球上分布最广、年产量最大的天然生物源高分子材料，是真正意义上的可持续、不可消耗的天然原料。早在上个世纪五十年代，人们就已经发现纤维素具有压电效应。后来又发现，植物纤维素中取向结晶部分表现出了较强的剪切压电效应，这使纤维素可以作为电子型电活性材料而得到应用。如何将电子型与离子型两种电活聚合物性材料有机结合起来，设计出一种新型的电活聚合物性材料，使它既具有电子型电活聚合物性材料的优点，又具有离子型电活聚合物性材料的优点，那么这种电活聚合物性材料将具有广阔的应用前景。基于这一思路，本发明从结构设计的角度出发，制备出一种含有聚吲哚涂层的纤维素膜电活性材料。

发明内容

本发明的目的是提供新型聚吲哚涂层纤维素膜电活性材料，及该电活性材料的制备方法。该方法在纤维素膜上通过电化学聚合形成聚吲哚涂层，从而将聚吲哚的电活性复合在纤维素膜上。本发明制备的聚吲哚涂层纤维素膜电活性材料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、工艺简单等优点。

本发明所述的新型聚吲哚涂层纤维素膜电活性材料采用如下技术方案实现：

(1)将分子量为200000～600000的纤维素溶于溶剂中配置成0.1％～5％(质量比，下同)的溶液，溶剂可选择N，N-二甲基乙酰胺/氯化锂、甲基氧化吗琳或三氟乙酸，至充分溶解后过滤，所得过滤溶液浇注成膜，在室温下彻底干燥；

(2)将干燥后的膜置于含有0.5％～2％氢氧化钠的水溶液中，室温下浸泡2～6小时后取出用去离子水反复冲洗；

(3)再将膜置于含0.1％～1％氯化氢的水溶液中，室温下浸泡4～12小时，取出后用去离子水冲洗净表面，室温下彻底干燥；

(4)在真空条件下(小于4×10⁴Pa)对膜表面镀金属电极，所镀金属可选择铜、银、金或铂，电极层厚度小于0.1微米；

(5)以镀了金属电极的纤维素膜作为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘贡电极为参比电极组成三电极电解池，将吲哚单体、电解溶剂和电解质加入三电极电解池中组成电解液，采用恒电位法进行聚合，在工作电极表面上电沉积聚吲哚。所述单体的初始浓度为10^-2～1mol/L，单体可选择烷基吲哚、硝基吲哚或氯基吲哚；电解质可选择高氯酸锂、四氟硼酸锂或六氟磷酸锂；电解溶剂可选择乙腈、甲醇、乙醇或碳酸丙烯酯；电解质浓度为10^-3～10^-1mol/L；采用恒电位法进行聚合时，具体步骤如下：对工作电极施加恒电位信号，恒电位信号范围是0.7～1.2V，时间为1～8小时。

(6)用50～200ml的清洗液对工作电极上沉积得到的聚吲哚涂层清洗2～4次，将表面吸附物除去，最后在去离子水中冲洗，真空干燥后得到聚吲哚涂层纤维素膜电活性材料。清洗液可选择乙腈、甲醇、乙醇、碳酸丙烯酯。

本发明的有益效果是