[發明專利]一種IPMC材料基體膜的糙化工藝

有效

• 申請號: 201310385815.1
• 申請日: 2013-08-29
• 公開（公告）號: CN103465147A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 陳花玲;王延杰;張馳;朱子才;王永泉;賈書海
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B24B31/00
• 分類號: B24B31/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明涉及離子聚合物金屬復合材料（Ionic?Polymer-Metal?Composites，IPMC材料）基體膜的表面糙化方法。具體涉及一種采用金剛砂等作為磨料，在IPMC材料基體膜表面上進行反復打磨以獲得具有一定粗糙度表面的工藝。

背景技術

離子聚合物-金屬復合材料（IPMC材料）是一種典型的離子型電致動聚合物，同時具有傳感和致動功能。相對其他同類材料，IPMC材料具有質量輕、驅動電壓低、柔韌性好、反應迅速等突出優點，因此在航空航天、仿生機械、生物醫學器械和微機電系統等眾多領域都展現了廣闊的應用前景。

制備IPMC材料的工藝步驟主要包括基體膜糙化處理、浸泡還原鍍和化學鍍。基體膜糙化是制備IPMC材料的重要工藝環節，它對IPMC電極形態及驅動特性均有顯著影響。起初，打磨基體膜的主要目的是增加電極層和基體膜之間的粘結強度，避免使用過程中出現電極剝落現象。后來在研究中發現，基體膜的糙化對良好的電極層的形成有重要作用。

目前，文獻報道中主要的打磨方式有：砂紙打磨、化學腐蝕、等離子刻蝕、熱壓處理以及噴砂處理。最早使用的是砂紙打磨方式，這種方式簡單、易操作，但打磨均勻性難控制，無法得到均勻的表面電極，且容易受人為因素影響，導致不同批次的材料性能差別較大，影響IPMC材料性能。Bar-Cohen等采用化學腐蝕劑對Nafion117膜進行表面處理，這種方法提高了Nafion膜表面分子活性，增強了電極的粘結強度，但由于操作過程復雜、易引入其他有機雜質，目前文獻報道中已很少見到。Jun?Kim等采用等離子刻蝕工藝對Nafion膜表面進行糙化處理，有效的改善了材料表面糙化的均勻程度，提高了IPMC材料的驅動性能，但是等離子體方式刻蝕機理較復雜，處理面積有限，且儀器昂貴、條件苛刻，不利于規模化生產；Noh、Chung和He等通過制作刻蝕模具而后熱壓的方式得到具有一定糙化程度的Nafion膜，這種方式對刻蝕模具的精度要求較高，需要提供壓力設備，在長時間熱壓下易引起Nafion膜塑形變形，且以此制備的IPMC重復驅動電極材料出現剝離現象。至于Nafion膜的噴砂糙化工藝，設備操作簡單，工藝成熟，糙化表面具有統計學上的均勻性。日本AIST（National?Institute?of?Advanced?Industrial?Science?and?Technology）使用這種方式打磨基體膜，獲得的IPMC材料機電性能優異，但文獻報道較少，無法獲知其噴砂處理的具體參數。國內金寧、常龍飛、丁海濤等人也做過相關研究，由于對噴砂工藝缺乏全面的認識，噴砂過程中所設壓力過大或者選擇的砂型不合適，導致沙粒射入并殘留在基體膜中，從而對基體膜造成損壞，制備的IPMC材料性能較差。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠實現IPMC材料基體膜表面粗糙度的定量化及均勻度控制的打磨方法，通過該方法可以增加電極層和基體膜之間的粘結強度，同時形成良好的電極層，從而使IPMC材料的機電性能明顯提高。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種IPMC材料基體膜的糙化工藝，其特征在于，包括下述步驟：

（1）將IPMC材料剪裁成一塊周邊留有0.5cm固定余量的基體膜，貼合于一底板上面，并由一外形尺寸與底板相同的框架將基體膜周邊固定，框架內部與基體膜上表面圍成一個凹腔；

（2）選擇顆粒度為400～1000目磨料，在基體膜上表面上均勻鋪開，磨料質量與基體膜面積的比值為3-5:1000（g/cm²）；

（3）將一個打磨錘置于凹腔內的基體膜上表面，使錘頭下表面與基體膜上表面平行并與磨料接觸，采用均衡的壓力反復拉動打磨錘的錘頭，使磨料刮擦基體膜上表面，實現基體膜單面的糙化；

（4）取出該單面糙化的基體膜，用乙醇和水按1:1的質量比的混合溶液浸泡，并在100%功率下超聲處理30min；

（5）按照步驟（1）～步驟（4）進行該基體膜另一面的糙化處理。

上述工藝中，所述的磨料為金剛砂、棕剛玉、玻璃珠、樹脂中的一種。顆粒度為800目。所述采用均衡的壓力是在錘頭上方固定不同質量的質量塊來實現的，其壓力值為1-3N/cm²。所述單面糙化的時間控制在10min內。所述底板、框架的外形采用方形、圓形或多邊形，材質采用浮法玻璃、有機玻璃或鐵板。

與現有技術相比，本發明的優點是，裝置簡單，即可規模化應用，也可在實驗室小范圍的使用；糙化過程中可實現粗糙度和均勻度的可控。

附圖說明