[发明专利]一种离子聚合物金属复合材料基膜3D制备方法

说明书

本发明提出一种离子聚合物金属复合材料基膜3D制备方法，首先根据设定的Nafion与BaTiO₃质量比量取Nafion溶液和BaTiO₃纳米级粉末，其次将Nafion溶液浓缩至质量分数为15％，向浓缩好的Nafion溶液中滴入体积分数15％的二甲基亚砜，再向混合后的Nafion溶液加入BaTiO₃纳米级粉末，对混合溶液进行搅拌使溶液充分混合均匀，并消除溶液中的气泡；将得到的溶液浓缩蒸发后研磨得到纳米级颗粒；对得到的纳米级颗粒挤出创建Nafion前体细丝，然后利用Nafion前体细丝采用3D打印机进行设计实体的打印，得到基膜。本发明采用3D打印技术进行基膜打印，实现了变截面、空心等复杂结构的制造，而且可以打印较厚的基膜，制备出更厚更大的IPMC；通过合理的溶液配置工艺，解决了成型膜内部易起气泡等问题。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体为一种离子聚合物金属复合材料基膜3D制备方法。

背景技术

离子聚合物金属复合(IPMC)材料作为离子型EAP的一种，是由阳离子交换膜和铂等贵金属通过化学镀方法复合而成，在基体膜(通常是离子交换膜Nafion等)上下表面采用物理或者化学方法沉积并渗透一层金属电极而形成夹层结构的复合材料。作为一种智能材料，在电场的作用下聚合物分子链两侧固定的相反极性电荷产生吸引和排斥作用，电荷的运动迁移引起薄膜的局部收缩和膨胀；当施加直流电压时，薄膜向某一电极的方向弯曲，并且弯曲程度随着电压的增加而上升，直至达到饱和状态。在交流电压下，薄膜产生摆动弯曲，不同频率下，弯曲位移达到饱和时的驱动电压值不同，频率较高时，电压值较小，能够实现电能与机械能之间的转换。相反，IPMC也可以在机械激励的作用下，发生形变，在其电极的表面产生感知电流。

目前IPMC的厚度大都在1mm以下，采用溶液重铸技术得到的IPMC，虽然厚度有所增加，但是其制备周期较长、需要浇筑模具、形状单一、成本高，不适宜在其中添加纳米颗粒对IPMC改性。在铸膜的基础上进行改进，存在形状较难控制、成型膜内部易起气泡等问题，且对于制造变截面、空心等复杂结构较为困难。

美国康奈尔大学提出借助增材制造技术，制造3层结构或者5层结构IPMC智能材料。该研究组将Nafion溶液、酒精和水的混合作为打印IPMC基体膜的前体材料，将Ag微小颗粒与Nafion溶液混合作为IPMC的电极材料，然后逐层加热固化电极－Nafion基体－电极3层结构，但从结果看，这种溶液固化成型时成型形状较难控制，固化后的材料表面质量不高，会出现明显的褶皱，变形性能也较差。

发明内容

为克服原有技术制备的离子交换膜基膜的缺陷，制造结构更为复杂的3D结构，本发明借助计算机辅助设计，提出一种离子聚合物金属复合材料基膜3D制备方法，基于3D打印熔融技术来分层制造离子聚合物金属复合材料(IPMC)基膜。

利用3D打印技术，通过FDM在打印平台成型，其厚度与形状可以由事先设定的三维模型控制，实现复杂结构的成型工艺。制备Nafion和钛酸钡BaTiO₃纳米混合基材，利用BaTiO₃具有较高的介电常数、良好的压电性能及较高的强度等特性，将纳米级颗粒作为增强相掺杂在复合材料中，来提升基膜的介电常数和机械性能，使基膜的驱动位移和强度得到提高，同时改善IPMC的电驱动和力学性能，从而扩大IPMC的应用领域。