[发明专利]一种IPMC材料基体膜的糙化工艺

说明书

技术领域

本发明涉及离子聚合物金属复合材料（Ionic Polymer-Metal Composites，IPMC材料）基体膜的表面糙化方法。具体涉及一种采用金刚砂等作为磨料，在IPMC材料基体膜表面上进行反复打磨以获得具有一定粗糙度表面的工艺。

背景技术

离子聚合物-金属复合材料（IPMC材料）是一种典型的离子型电致动聚合物，同时具有传感和致动功能。相对其他同类材料，IPMC材料具有质量轻、驱动电压低、柔韧性好、反应迅速等突出优点，因此在航空航天、仿生机械、生物医学器械和微机电系统等众多领域都展现了广阔的应用前景。

制备IPMC材料的工艺步骤主要包括基体膜糙化处理、浸泡还原镀和化学镀。基体膜糙化是制备IPMC材料的重要工艺环节，它对IPMC电极形态及驱动特性均有显著影响。起初，打磨基体膜的主要目的是增加电极层和基体膜之间的粘结强度，避免使用过程中出现电极剥落现象。后来在研究中发现，基体膜的糙化对良好的电极层的形成有重要作用。

目前，文献报道中主要的打磨方式有：砂纸打磨、化学腐蚀、等离子刻蚀、热压处理以及喷砂处理。最早使用的是砂纸打磨方式，这种方式简单、易操作，但打磨均匀性难控制，无法得到均匀的表面电极，且容易受人为因素影响，导致不同批次的材料性能差别较大，影响IPMC材料性能。Bar-Cohen等采用化学腐蚀剂对Nafion117膜进行表面处理，这种方法提高了Nafion膜表面分子活性，增强了电极的粘结强度，但由于操作过程复杂、易引入其他有机杂质，目前文献报道中已很少见到。Jun Kim等采用等离子刻蚀工艺对Nafion膜表面进行糙化处理，有效的改善了材料表面糙化的均匀程度，提高了IPMC材料的驱动性能，但是等离子体方式刻蚀机理较复杂，处理面积有限，且仪器昂贵、条件苛刻，不利于规模化生产；Noh、Chung和He等通过制作刻蚀模具而后热压的方式得到具有一定糙化程度的Nafion膜，这种方式对刻蚀模具的精度要求较高，需要提供压力设备，在长时间热压下易引起Nafion膜塑形变形，且以此制备的IPMC重复驱动电极材料出现剥离现象。至于Nafion膜的喷砂糙化工艺，设备操作简单，工艺成熟，糙化表面具有统计学上的均匀性。日本AIST（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology）使用这种方式打磨基体膜，获得的IPMC材料机电性能优异，但文献报道较少，无法获知其喷砂处理的具体参数。国内金宁、常龙飞、丁海涛等人也做过相关研究，由于对喷砂工艺缺乏全面的认识，喷砂过程中所设压力过大或者选择的砂型不合适，导致沙粒射入并残留在基体膜中，从而对基体膜造成损坏，制备的IPMC材料性能较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现IPMC材料基体膜表面粗糙度的定量化及均匀度控制的打磨方法，通过该方法可以增加电极层和基体膜之间的粘结强度，同时形成良好的电极层，从而使IPMC材料的机电性能明显提高。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种IPMC材料基体膜的糙化工艺，其特征在于，包括下述步骤：

（1）将IPMC材料剪裁成一块周边留有0.5cm固定余量的基体膜，贴合于一底板上面，并由一外形尺寸与底板相同的框架将基体膜周边固定，框架内部与基体膜上表面围成一个凹腔；

（2）选择颗粒度为400～1000目磨料，在基体膜上表面上均匀铺开，磨料质量与基体膜面积的比值为3-5:1000（g/cm²）；

（3）将一个打磨锤置于凹腔内的基体膜上表面，使锤头下表面与基体膜上表面平行并与磨料接触，采用均衡的压力反复拉动打磨锤的锤头，使磨料刮擦基体膜上表面，实现基体膜单面的糙化；

（4）取出该单面糙化的基体膜，用乙醇和水按1:1的质量比的混合溶液浸泡，并在100%功率下超声处理30min；

（5）按照步骤（1）～步骤（4）进行该基体膜另一面的糙化处理。

上述工艺中，所述的磨料为金刚砂、棕刚玉、玻璃珠、树脂中的一种。颗粒度为800目。所述采用均衡的压力是在锤头上方固定不同质量的质量块来实现的，其压力值为1-3N/cm²。所述单面糙化的时间控制在10min内。所述底板、框架的外形采用方形、圆形或多边形，材质采用浮法玻璃、有机玻璃或铁板。

与现有技术相比，本发明的优点是，装置简单，即可规模化应用，也可在实验室小范围的使用；糙化过程中可实现粗糙度和均匀度的可控。

附图说明