[發明專利]一種全氟磺酸人工肌肉的制備方法

有效

• 申請號: 201910225872.0
• 申請日: 2019-03-25
• 公開（公告）號: CN109909124B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 任雷;馬愫倩;梁云虹;張云鵬
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B05D1/28
• 分類號: B05D1/28;B05D5/12;B05D7/00;B05D7/24;B25J9/10
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

本發明公開了一種全氟磺酸人工肌肉的制備方法，包括如下步驟：1、Nafion膜的前處理過程；2、電極的制備過程；3、Nafion膜的離子交換過程。本發明全氟磺酸人工肌肉的制備周期縮短了80％，成本降低了30％，并且依然保持優異的性能，在10V電壓下，Nafion膜的最大形變位移量為6.9mm，全氟磺酸機械手最大可以抓取8g的重物，是自重的20倍。

技術領域

本發明涉及新型智能材料技術領域，特別涉及一種全氟磺酸人工肌肉的制備方法。

背景技術

人工肌肉是一種具有驅動性能的新型材料，目前發展較早的人工肌肉有氣動型人工肌肉和液壓型人工肌肉，這兩種人工肌肉通過充入或抽出氣體或液體從而產生較大的驅動力，然而，這兩種人工肌肉均需要體積較大的負載，如氣泵、液泵等，這極大影響了人工肌肉在輕便、易于安裝等方面的需求，限制了人工肌肉的實際應用。

近十余年來，一系列智能材料的誕生，為人工肌肉的研究提供了新的發展契機。智能材料是指材料在受到外界刺激(如光、熱、力、電、磁等)下可以產生變化的材料，這些變化包括材料形狀的變化、顏色的變化等。其中，電活性聚合物作為智能材料的一種，可以在電刺激下呈現各種復雜的形變，例如，彎曲、延伸、扭動、收縮等，并且它們具有較好的生物相容性，非常接近真正的肌肉纖維，因此在人工肌肉上有較大的應用前景。

電活性聚合物分為電子型電活性聚合物和離子型電活性聚合物。其中，電子型電活性聚合物需要在較高(約幾千伏)的電壓下才能產生形變，具有安全隱患，因此不適合應用于人工肌肉中。離子型電活性聚合物是由兩個電極和離子交換膜組成的，在較低的電壓下，離子遷移或分散作用即可以誘導材料發生彎曲形變。其中，離子聚合物-金屬復合物(IPMC)在較低的驅動電壓下即能產生較大的位移變形，而且其能量密度高、質量輕便、容易加工剪裁，因此非常適用于人工肌肉的開發。全氟磺酸(Nafion)離子交換膜是一類典型的IPMC，當對Nafion膜施加電壓時，膜內的陽離子會向陰極移動，同時帶動水分子向陰極移動，使陰極溶脹且陽極縮水，薄膜產生向陽極彎曲的變形。

目前，基于Nafion膜的人工肌肉材料需要涉及到復雜的電鍍或化學鍍制備金屬電極的過程，成本高且耗時，這嚴重阻礙了Nafion人工肌肉的應用和發展。為了降低Nafion人工肌肉的制備成本，縮短制備時間，本發明采用刷涂導電膠的方法，在Nafion離子交換膜表面制備了致密的電極，且在較低的工作電壓下Nafion人工肌肉就可以產生較大的彎曲形變，最快響應時間小于0.1秒。

發明內容

本發明的研究目的在于降低Nafion人工肌肉的制備成本，縮短制備時間，而提供一種全氟磺酸人工肌肉的制備方法。本發明是一種刷涂電極的方法，選擇廉價的導電銀膠和導電碳膠，制備出一種高性能全氟磺酸人工肌肉。

本發明提供的一種全氟磺酸人工肌肉的制備方法，包括以下步驟：

一、Nafion膜的前處理過程

選用商業化的Nafion離子交換膜，所述Nafion離子交換膜為杜邦公司生產的Nafion117薄膜，厚度為190μm，將其裁剪成長50mm，寬20mm的長方形；

將透明的Nafion膜浸泡在50mL質量分數為5％的過氧化氫水溶液中4小時，然后將Nafion膜浸泡在去離子水中加熱煮沸1小時，然后，將Nafion薄膜浸泡在50mL質量分數為5％的硫酸溶液中4小時，然后將Nafion膜浸泡在去離子水中加熱煮沸1小時；

經過前處理后，Nafion薄膜充分地吸水溶脹，并呈現出柔軟的透明狀；

二、電極的制備過程

選用美國SPI公司生產的導電銀膠和導電碳膠，通過刷涂電極的方法在Nafion膜表面制備銀電極或碳電極；

1、銀電極