[发明专利]一种结构仿生的聚合物致动器及其制备方法

权利要求书

1.一种结构仿生的聚合物致动器，主要由一层高分子薄膜和覆盖于高分子薄膜两侧的金属电极所组成，其特征在于：所述高分子薄膜为磺化嵌段共聚物-Nafion杂化薄膜；所述磺化嵌段共聚物-Nafion杂化薄膜通过先合成磺化嵌段共聚物，然后将磺化嵌段共聚物溶液通过静电纺丝制得取向纳米纤维薄膜，再将取向纳米纤维薄膜与Nafion溶液复合，经浇铸静置干燥制得；其中取向纳米纤维薄膜占杂化薄膜总质量的20％～50％。

2.一种磺化嵌段共聚物-Nafion杂化薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)磺化单体的合成：将25.4g二氟二苯砜溶于50～55mL体积分数为50％的发烟硫酸中，在160～170℃下搅拌反应12～14h，反应结束后用4mol/LNaOH溶液将反应液pH值调节至6～7，并加入120～125gNaCl，在冰水浴中搅拌反应，至磺化单体结晶形成，将磺化单体结晶溶在体积分数为80～85％的异丙醇和去离子水混合溶液中，在80～90℃下纯化产生白色晶体，将纯化后的白色晶体过滤，在100～105℃下真空干燥24h，得磺化单体；

2)磺化嵌段共聚物的合成：

①非磺化共聚嵌段A的合成：将5.0850g二氟二苯砜、4.7578g4,4’-硫代二苯硫醇和6.6340g碳酸钾加入到一个装有搅拌器、导气管、分水器和冷凝管的250mL三口烧瓶中，先加入100～120mL二甲基乙酰胺，在室温下搅拌反应1～2h，然后升温至100～105℃再搅拌反应1～2h，接着加入40～45mL甲苯，在120～125℃搅拌反应2～3h，然后升温至140～150℃再搅拌反应2～3h，随后又升温至160～165℃搅拌反应3～4h，反应结束后将反应液冷却至室温，用冰醋酸骤冷，然后用体积分数为2:1的甲醇和去离子水的混合液沉淀出共聚物，将共聚物过滤，用甲醇索氏萃取48～52h后，再在80～90℃下真空干燥24～26h，即得非磺化共聚嵌段A；

②磺化共聚嵌段B的合成：将2.5041g4,4’-硫代二苯硫醇、4.4316g步骤1)所得磺化单体和3.3168g碳酸钾加入到250mL三口烧瓶中，加入60～70mL环丁砜，先在100～105℃下搅拌反应12～14h，然后升温至180～190℃，再搅拌反应6～8h，反应结束，将反应液冷却至室温，用冰醋酸骤冷，然后用体积分数为2:1的甲醇和去离子水的混合液沉淀出共聚物B，将共聚物B过滤，用去离子水充分洗涤，并用甲醇索氏萃取72～76h后，再在100℃下真空干燥24h，即得磺化共聚嵌段B；

③磺化嵌段共聚物的合成：称取步骤①所得非磺化共聚嵌段A溶解在二甲基乙酰胺(60mL)中，步骤②所得磺化共聚嵌段B溶解在环丁砜(60mL)中，再将溶解了非磺化共聚嵌段A的二甲基乙酰胺溶液，加入到溶解了磺化共聚嵌段B的环丁砜溶液中，混合均匀并升温至140～145℃，先混合搅拌反应1～2h，然后升温至180～190℃，反应4～6h，反应结束后将共聚产物用体积分数为2:1的甲醇和去离子水的混合液沉淀，并过滤，再用甲醇索氏萃取48～52h，在80～90℃下真空干燥24h，得到磺化嵌段共聚物；

3)取向纳米纤维薄膜的制备：将磺化嵌段共聚物用二甲基乙酰胺溶解，在100～110℃下强力搅拌配制成质量浓度20～30％的溶液，将此溶液于15KV的静电下进行静电纺丝；得到的取向纳米纤维薄膜先用静液压机在2～3MPa下压制2～3min，然后将压制后的薄膜浸泡在4～6mol/L的H₂SO4溶液中，室温下静置24～26h，最后将薄膜用去离子水洗净，在80～90℃下真空干燥8h；

4)磺化嵌段共聚物-Nafion杂化薄膜的制备：将质量分数为7～10％的Nafion溶液浇铸在盛有步骤3)所得取向纳米纤维薄膜的玻璃模具中，将此混合物在室温下静置一天，脱去气泡，待溶剂基本挥发后，移入真空干燥箱中，在60～65℃下干燥8～12h，然后将真空干燥箱温度上升至120～125℃，再干燥2～3h，最后小心将薄膜从玻璃模具中取下来，即得磺化嵌段共聚物-Nafion杂化薄膜。