[发明专利]一种结构仿生的聚合物致动器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能型材料领域，具体涉及一种结构仿生的聚合物致动器及其制备方法。

背景技术

电活性聚合物(Electroactive Polymers/EAP)是一类能够在外电场诱导下，通过材料内部构造改变产生多种形式的力学响应的材料，可以实现电能和机械能的相互转换。EAP响应的形式可以有伸缩、弯曲、束紧或膨胀等，从而可以实现牵引、紧固等机械功能。EAP依据外界刺激的形式可区分成两类：(1)受电场或库伦力；(2)受离子在材料内扩散而形变的电驱动高分子。第一类高分子称为Electronic EAP，这类型的EAP虽然材质柔软，但是驱动材料变形的电场却相当大，通常大于100MV/m，为避免在人体内使用过程漏电而造成电击，通常不考虑作为植入体内的医疗器材。第二类的高分子称为Ionic EAP，包括离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composites/IPMC)，导电性高分子(Conductive polymer/CP)，及纳米碳管(Carbon nanotubes/CNT)，相较于Electronic EAP，驱动电压一般低于10伏特，所以可被考虑作为植入式医疗器械的材料。

离子聚合物金属复合物材料(IPMC)是一种新型的智能材料，在外加电压的作用下能产生较大的形变，表现为致动性能。IPMC作为致动器在仿生机器人、柔性低阻尼机械臂、微致动器等领域有巨大的应用前景。典型的IPMC结构包含一层高分子薄膜及一层金属电极层覆盖于高分子层两面，形成一个“三明治”结构。它的作用机理是水合阳离子在电场作用下，朝着阴极移动，从而引起阴极一侧的水分子浓度偏大，而导致致动器朝阳极弯曲。在1992年IPMC被3个不同研究团体发现其具有驱动的特殊性质，包含日本的Oguro等人发现施加一电压时会使IPMC产生形变，美国的Sadeghipour及Shahinpoor等人提出的IPMC应用于传感器方面的报告。目前IPMC被开发的科学应用主要有：人机械界面(Human-Machine interfaces)、飞行器应用(Planetary Applications)、可控制织物(Controlled weaving)、机器人、生物医疗等。可见，IPMC聚合物致动器具有不可估量的应用前景。

虽然IPMC是很有发展前景的一类智能高分子材料，但是，IPMC的实际应用仍然具有许多困难。首先，IPMC的性能不够理想，存在使用寿命较短，弯曲应力小，高频响应差，质量重复性差等等缺点，以致市场上至今不能批量提供性能稳定的IPMC材料；其次，树脂或者膜价格昂贵也是影响IPMC被广泛应用的一个因素。例如，杜邦Nafion树脂的价格就高的惊人，约为30000元/公斤，即便是国产的全氟磺酸树脂价格(山东东岳集团)也高达20000元/公斤。第三，IPMC中的电极材料一般采用铂金，众所周知这是一种非常贵的金属材料，因此大大提高了IPMC的成本，也不利于IPMC的推广应用。为了实现IPMC致动器的实际应用，必须寻找可替代Nafion膜的廉价的新型聚合物离子交换膜，且同时应大幅提高IPMC致动器的综合性能。

作为IPMC致动器中关键材料的离子聚合物(简称离聚物)有许多种，根据主链结构，离聚物可以分为全氟磺酸离聚物和碳氢离聚物两大类。全氟磺酸树脂合成工艺十分复杂，产量很少，价格十分昂贵。碳氢离聚物可以选择通用塑料(如聚苯乙烯)作为磺化的基础树脂，也可以选择工程塑料甚至特种工程塑料(如聚醚醚酮，聚酰亚胺等)作为原料。这些非氟化离聚物相对全氟磺酸离子树脂来说，价格要低廉很多，比较贵的如聚砜，聚酰亚胺等也不过两三百元每公斤。

由离聚物来制备离子交换膜，离子膜的内部微观结构决定它的宏观性能。传统的离子膜采用溶液浇铸法或流涎法生产，得到的往往是无定形结构。目前研究者们往往采用各种途径调控薄膜的微观结构形态，主要方法有：(1)采用嵌段共聚物作为离聚物，这样的离聚物具有指纹状的相分离的微观形态；(2)采用化学交联或者辐射交联的方法，使磺化聚合物形成交联结构，有利于得到更微细的离子传输通道和更坚韧的薄膜；(3)采用共混改性的方法；(4)采用接枝改性制备接枝共聚物；(5)添加一些导电或亲水的无机粒子进行复合改性；(6)采用新型成型工艺，如静电纺丝工艺，采用这种工艺制备的离子膜内部微观结构的优势是阳离子沿着纳米纤维形成的通道传输，这使得质子导电能力有很大提高，使离子交换膜具有超高质子导电能力。