新型IPMC纳米复合材料制备及性能的研究

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过去的几十年中,层出不穷的活性聚合物在踊跃出来,其中一类具有驱动性能的电活性聚合物(EAPS)智能材料已经广泛应用于天然肌肉、生物医疗设备、医疗肢体、仿生机器人、娱乐玩具、微/纳米机电系统等。离子聚合物—金属复合材料(IPMC)作为EAPS智能材料之一脱颖而出。在电驱动方面,IPMC具有相当大的潜能。这类电活性复合材料能在恒电压条件下(1-3V)发生形变位移,相反,还可以在机械弯曲时产生电位差,同时产生感应信号。目前,较为常用的基质是全氟离子Nafion膜,虽然它具有良好的化学与物理性质及良好的致动性能,但是它同时也存在严重的性能限制,当温度超过80-C时性能严重下降使得吸水性较低,在这种情况下质子传导率和离子交换能力也有所下降,此外Nafion膜由于复杂的合成需要使得它的制备成本非常高。同时,IPMC电极一般为Au、Pt等贵金属,制备工艺复杂、价格较高。因此,寻找新型合适的基质材料迫在眉睫。新型电极材料的制备对IPMC的开发和应用具有重要意义。本课题从材料结构角度出发,设计合成了交联聚乙烯醇(PVA)体系与交联聚乙烯醇/氧化石墨(PVA/GO)体系作为新型IPMC基质,研究了聚合物组成结构与性能之间的关系。在电极方面,以聚吡咯作为电极。在IPMC制备方面,主要采用两步法进行制备IPMC。第一步,采用水溶液涂层法以及退火交联制备基质膜。第二步,运用化学电镀方法制备IPMC电极。对交联的磺化聚乙烯醇(s-PVA)进行结构与性能方面的测试;结构方面包括红外光谱(FT-IR),扫描电子显微镜(SEM),原子力显微镜(AFM);性能方面包括吸水率(WUP),离子交换能力(IEC),溶胀性(LE),质子导电性,拉伸性能,电致动性能。通过研究我们得到的结论,当摩尔比例为PVA:SSA:5-SSIPA=10:1:1(120℃)比例时其致动性能最佳,能够产生22 gf/g的致动力且电极其表面没有任何裂纹与破碎的部分。在PVA/SSA/5-SSIPA/GO中,通过测试得到了致动性最佳的IPMC制备工艺:在PVA:SSA:5-SSIPA=I0:1:1加入质量分数+15%GO 100℃退火温度,在1 V电压下,周期为60 s,产生的致动力最大值为25 gf/g;
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