[发明专利]一种高性能的以Nafion-PVA-ES为电解质膜的IPMC的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种高性能的以Nafion‑PVA‑ES为电解质膜的IPMC的制备方法及应用，由电解质膜、固定在电解质膜两侧的定向纺丝石墨膜电极、外接的电信号输入系统组成，定向静电纺丝制备Nafion‑PVA‑ES电解质膜：定向静电纺丝制备电极然后与Nafion‑PVA‑ES电解质膜嵌合制备IPMC，本发明的IPMC具备各向异性的电‑机转换性能，沿径向切割得到的Nafion‑PVA‑LAES为基底膜的IPMC具备大的力输出，沿纬线切割的Nafion‑PVA‑PAES为基底膜的IPMC具备大的位移输出能力；IPMC的应用领域更加广阔。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高性能的以Nafion-PVA-ES为电解质膜的IPMC的制备方法及应用。

背景技术

全氟磺酸产品主要由碳氟主链和磺酸根侧链组成，其化学结构如下：

其碳氟主链的结构类似于聚四氟乙烯的化学结构，具有憎水的性能，而由于其侧链的磺酸根官能团的亲水性，全氟磺酸具有亲水的性能。目前主要是美国杜邦公司生产全氟磺酸产品包括Nafion膜和Nafion溶液系列产品。

在Nafion膜的两侧通过化学电镀的方法镀上贵金属如铂，金等，能制成离子聚合物金属复合物(Ionic Polymer Metal Composite，IPMC)，又称人工肌肉。该材料在电场作用下能发生弯曲，并且交变弯曲状态下能够产生微电场，因而可应用于致动器和传感器，由于其质量轻，驱动电压低，类似于生物肌肉的性能，这种材料目前在致动器发面得到了广泛的研究和应用。其驱动机理如图9所示。

在电场作用下阳离子(Na⁺,Li⁺,K⁺)携带一定的水分子向阴极移动，从而引起阳极的收缩和阴极的膨胀，以至于材料发生弯曲。这种材料的驱动电压低，通常在1－3V左右，然而，离子聚合物金属化合物的驱动是由于基底材料(Nafion)中的阳离子在电场作用下带动水分子向阴极移动，从而使得材料向阳极弯曲。可见，在制动过程中，水分子起着关键的作用，水份的损失会影响IPMC人工肌肉材料的输出力和位移，所以目前IPMC人工肌肉的应用主要在水中或者潮湿环境，在干燥环境下IPMC人工肌肉的工作时间还相当的短。

近年来，为了提高IPMC人工肌肉的力学输出性能，国内外学者对此做了大量的研究，其中包括通过改进化学电镀的制备方法，即在化学电镀的过程中使用PVP来提高表面纳米金属电极的分散，从而减少水份的损失来提高IPMC的力学性能。由于商业的Nafion膜的厚度在100－300um之间，可以通过Nafion溶液浇铸的方法来制备较厚的Nafion膜，从而提高IPMC人工肌肉的力学输出性能，但是较厚的Nafion膜制备的IPMC，其驱动电压也会相应较高，就会增加水解过程的发生，水的水解电压一般为1.23V。目前较好的方法是通过对基底材料(Nafion)的改性,用改性后的Nafion膜来制备IPMC，这样可以较好的提高IPMC的力学性能和工作时间。

在改性方面，韩国学者Vinh Khanh Nguyen等人在Nafion溶液中添加纳米颗粒(nanoparticulates)硅酸盐如高磷石(layered silicate(montmorillonite))或者硅土(fumed silica)，从而形成纳米化合态的Nafion，可以改变Nafion内部网络通道(Nafionmatrix)的性能，来改进Nafion的机械特性。

由Nafion制成的IPMC具有电压小，反响快等特点，深受科技各领域的应用，但是它同时存在着孔隙率低，吸水性差，位移距离短，位移周期短，力学性能小等缺点。

发明内容