[發明專利]PVP@AgNPs封裝的IPMC電致動器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011494435.8
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112636631B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 馬麗;郭東杰;丁井鮮;駱正強;李夢辛;翟公浩
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發明公開了一種PVP@AgNPs封裝的IPMC電致動器及其制備方法，采用提拉工藝在廢舊IPMC表面包覆一層致密的PVP@AgNPs材料作為封裝電極，本發明提出的IPMC制備方法簡單，將舊IPMC懸掛于銀漿中，銀漿以一定的速度下降，得到PVP@AgNPs封裝的IPMC。PVP@AgNPs封裝的IPMC增加IPMC電致動器的保水性能，提拉后，PVP包裹的銀納米顆粒很容易填補到Pt電極的缺陷處。而Ag納米顆粒與Pt納米粒子的鍵合作用很強，電極不易脫落，對IPMC的封裝效果更加顯著，從而減緩了IPMC致動器的電極疲勞，延長了IPMC致動器的工作時間，進而提高了IPMC的輸出力，位移和力學性能。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，具體涉及PVP@AgNPs封裝的IPMC電致動器及其制備方法。

背景技術

離子交換聚合物金屬復合材料(IPMC)由于在低驅動電壓(通常小于5V)下輕便且變形大，因此潛在地可用于機器人執行器，人造肌肉和動態傳感器。

在大多數應用中，由于杜邦全氟化酸(Nafion)具有穩定的化學和電化學性能，高離子交換容量(IEC)和高質子傳導性，因此被用作聚合物基體以產生強機電響應。在大多數情況下，Nafion基體膜被兩層穩定的金屬(Pt，Au等)納米片夾在中間，以制成IPMC。在電場的驅動下，載有水分子的Nafion基質內部的電解質陽離子從陽極遷移到陰極，同時由于Pt納米顆粒的均勻分布，水被阻止從多孔表面電極中泄漏出來(顆粒阻尼效應)，導致水的濃度梯度，進而觸發IPMC向陽極彎曲。當IPMC彎曲超過金屬電極的屈服應變時，在電極表面上會隨機產生不規則的裂紋和皺紋。裂紋和皺紋的存在具有嚴重的負面影響，如下所述：

1)這些裂紋將不可避免地降低電極的電子電導率，并產生不均勻的電場分布，從而導致大量能量的浪費和IPMC致動器的變形。

2)這些裂縫會引起水分的大量流失，特別是在脈沖電場作用下。

3)此外，電解質離子將從電極裂縫中泄漏出來，從而削弱了顆粒的筑壩效果，進而減弱了機電響應。

4)另外，由于極性和表面能的差異，金屬電極總是很容易疲勞，并且會從Nafion基體上剝離。

因此，為了解決以上問題，IPMC被封裝到許多聚合物材料中，有許多團隊在這些方面展開了研究。例如，Lei的團隊提出的聚對二甲苯涂層可以增加保水性能(Sensors andActuators A 217(2014)1–12)，防止電極和導線腐蝕和在多種環境中工作，但這一種封裝方法不能對長時間使用的電極進行修復，也不能提高IPMC的致動性能。Kim的工作是將IPMC進行等離子處理和涂敷聚對二甲苯等預處理(Smart Mater.Struct.18(2009)115009)，再用PDMS對水平或者垂直排布的不同寬度、長度和厚度的IPMC進行封裝，達到提高IPMC致動能力和增加其阻擋力的效果，但制備過程過于復雜。我們的團隊也提出在舊的IPMC表面電鍍一層PEDOT進行封裝(ZL2019100910300)，但由于電鍍的PEDOT無法控制電極厚度，以及作為柔性聚合物電極，電阻遠大于金屬電極，這種方法也很難達到較好的效果。由于以往的研究工作都是采用聚合物進行封裝，聚合物封裝的優點在于其保水效果較好，但是在IPMC的使用過程中，由于水的電離會產生氫氣和氧氣并釋放出來，從而使封裝的聚合物產生鼓泡現象，甚至最終導致封裝的聚合物脫落。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種使用銀納米顆粒填補IPMC表面電極孔隙，修復IPMC的技術。

為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種PVP@AgNPs封裝的IPMC電致動器，所述的IPMC電致動器由PVP@AgNPs封裝廢舊IPMC制備的新IPMC以及外接電信號輸入系統組成。

進一步，所述電信號輸入系統的電信號為0.1-10Hz，0.5-5V的正弦波、方波或三角波。