离子聚合物-金属复合材料

1离子聚合物-金属复合材料学生：肖通虎导师：邓麦村研究员曹义鸣研究员SeminarI环境工程研究室新型膜分离技术组2005/11（Ionicpolymer-metalcomposites）2主要内容一、IPMC的简介：二、IPMC的制备：三、IPMC的特性：四、IPMC的应用前景实例：五、IPMC研究中的几个问题：离子聚合物-金属复合材料（IPMC）3一、离子聚合物-金属复合材料（IPMC）简介是一种电致动的智能高分子材料，离子聚合物金属复合材料(ionicpolymermetalcomposite,IPMC)：一般由阳离子交换膜(如Nafion膜)和贵金属如Pt等通过化学镀的方法复合而成，在外加较低的电压能够产生较大的形变和张力。1939年IPMC作为电极材料就开始被研究1960年代，DowChemical1992年发现IPMC具有电致动的特殊性质：IPMC最早发展的应用是燃料电池的电极日本的Oguro美国的SadeghipourMohsenShahinpoor广东工业大学自动化研究所中科院合肥智能机械研究所武汉理工大学光纤传感技术研究中心4世界主要的商业离子交换材料的制造商：AqualiticsAsahiChemicalsAsahiGlassDuPontWLGoreIonicsSolvaySybronTokuyama用于IPMC制备的典型商业材料：NafionTMfromDuPontNeoseptaTMfromTokuyamaAciplexTMfromAsahiChemicalFlemionTMorSelemionTMfromAsahiGlass二、IPMC的制备：1.离子聚合物材料的选择:成膜性、膜强度、抗化学处理等含氟碳官能团的阳离子交换膜562.IPMC的制备工艺：粗化、酸洗离子交换还原1、初始复合过程（Initialcompositingprocess）2、表面电极化过程（Surfaceelectrodingprocess）LiBH4+4[Pt(NH3)4]2++8OH-→4Pt0+16NH3+LiBO2+6H2O金属盐类的溶液（如Pt(NH3)4Cl2）（如LiBH4、NaBH4）二、IPMC的制备：7IPMC复合膜的制备实例：5cm×5cmofNafionTM-1171)用砂纸轻轻打磨膜的表面,用超纯水冲洗多次;2)在HCl(2mol/L)中煮沸30min,取出用超纯水冲洗;3)在超纯水中煮沸30min。4)将处理后的Nafion膜浸入铂盐[Pt(NH3)6]Cl4(0.01mol/L)的水溶液中,陈化12h,使[Pt(NH3)6]4+渗入到Nafion膜内部,5)取出放入40℃水浴的反应器中,加入5%LiBH4水溶液还原出Pt,在此过程中,逐渐升高水浴温度至60℃,并搅拌1.5h;(i)准备240ml([Pt(NH3)4]Cl2or[Pt(NH3)6]Cl4)含120mgPt的水溶液加入5ml5%氨水（质量百分数)调节PH值(ii)准备5%NH2OH-HCl水溶液和20%NH2NH2溶液.(iii)膜浸入40℃恒温含Pt溶液中，搅拌.每隔30min往溶液中加入6mlNH2OH-HCl和3mlNH2NH2溶液(2∶1),并逐步升高温度到60℃,反应4h.至溶液中无[Pt(NH3)6]4+离子存在;1、初始复合过程（Initialcompositingprocess）2、表面电极化过程（Surfaceelectrodingprocess）83.IPMC的典型结构：A表面结构：二、IPMC的制备：9B截面结构：10三、IPMC的特性：1.直流电压下的响应特性：1.向阳极弯曲2.弯曲程度（位移）随电压增大而增大，直至饱和状态。(一)电致动特性112.交流电压下的响应特性：1.薄膜产生摆动弯曲(位移)2.位移取决于电压幅值和频率a.通常在低频时产生较大的位移,如果频率上升到几十HZ时,将不产生位移。b.不同频率下,弯曲位移达到饱和时的驱动电压值不同,在频率较高时,电压值较小。三、IPMC的特性：123.电致动机理：三、IPMC的特性：可以从膜内部平衡离子的迁移来考虑a.水合离子c.外加电场强弱变化频率b.膜的厚度膜内电阻、微观电荷密度变化、聚集层内部电荷的平衡、离子迁移速率134.与形状记忆金属、电陶瓷特性比较：三、IPMC的特性：14(二)应力传感特性1.准静态传感：三、IPMC的特性：152.动态传感：三、IPMC的特性：161.末端夹持器:四、IPMC的应用前景实例：可制作微型低质量机器人手臂末端夹持器。该夹持器安装在直径为5mm的石墨/环氧树脂复合材料棒上面,利用频率为0.1Hz的5伏方波信号驱动,可以实现打开夹持器手指、将夹持器放置于待收集物体的附近、闭合夹持器、随手臂举起物体等一系列动作。夹持器能举起岩石,意味着在未来的行星探索中可利用夹持器灵活多样的功能,来完成行星采样收集任务。NASA/JPL（美国宇航局喷气推进实验室）reportedthattheactuationpropertiesofIPMCmusclesinaharshspaceenvironmentsuchas1Torrofpressureand−140◦Ctemperaturearenoticeableforspaceapplications.（一）软性机械致动及传感应用172.刮尘器：四、IPMC的应用前景实例：通过从海盗宇宙探测器和火星探险器任务中所获取的教训,研究人员了解到在火星上执行任务的硬件装置表面很容易积上灰尘。积累的灰尘是妨碍光学装置长期工作的关键性问题,并且降低了太阳能电池产生功率的效率。使用了类似于汽车挡风玻璃刮雨器的刮尘器。与常规的致动器相比,IPMC具有能制成简单、轻质、低功率刮擦机构的理想特性。尤其是当给定大约0.3Hz的激励信号时,IPMC能产生大于90度的弯曲,其弯曲方向取决于所施加信号的极性。183.泳动微机器人推进器：四、IPMC的应用前景实例：无噪声推动，可以躲避声纳的探测194.微型蠕动泵：四、IPMC的应用前景实例：5.其它执行器及传感器：如计量阀、滑行结构、微飞行器件、隔膜泵、微电机传感器等。201、人造心脏辅助肌肉：四、IPMC的应用前景实例：柔软的IPMC，可以缝合在心脏表面，不接触血管血液，可避免血栓及并发症。对于心律不齐等心脏疾病，要求植入微器件柔软、电力充足，不引起不良反应（二）医学应用：人体内辅助驱动材料21老鼠22四、IPMC的应用前景实例：2、人造手指、关节：23四、IPMC的应用前景实例：3.仿生眼及视力矫正24图五使用IPMC作为可操控的内视镜导管头GousseAE,MadjarS,LambertMMandFishmanIJ,J.Urol.166,1755(2001).四、IPMC的应用前景实例：4.内视镜导管头：25（1）工艺参数的优化：五、IPMC研究中的几个问题：1.IPMC的制备工艺问题：复杂对策：2627（2）结构的优化：憎水性的碳氟高分子主链和亲水性的烷基磺酸根侧链组成1.IPMC的制备工艺问题：2829（3）制备方法的创新：1.IPMC的制备工艺问题：3031在低电压的刺激下,IPMC能产生明显的弯曲位移,但所产生的驱动力却偏低。2.IPMC的驱动力问题：提供的驱动力偏低:对策：（1）改变平衡离子32（2）再铸IPMC33343.IPMC的功耗问题：正弦波驱动技术方波驱动形变大但功耗较高。对策：35方波正弦波方波正弦波方波正弦波364.IPMC的湿度敏感问题：(1)采用硅涂层技术干燥的条件下,IPMC只能响应几分钟。可连续工作4个月工作温度范围较大具有良好的弹性耐紫外线辐射对策：(2)提高金属致密层的均匀性(3)采用高沸点极性溶剂37J.W.Paquetteetal./SensorsandActuatorsA118(2005)135–1435.IPMC的超低温问题：机理尚不清楚。386.IPMC的电解问题：对策：驱动电压超过1.03V,将产生电解,相应产生退化、热量、释放气体等激活反应。（1）降低电压（2）采用金电极39K.Jungetal./SensorsandActuatorsA107(2003)183–1927.IPMC的持续时间问题：直流电压下,IPMC在最大位移处保持时间短。对策：而且一旦撤消电场,IPMC向相反的方向产生过位移,出现永久形变。这个问题还没有解决,并且阻碍了IPMC的某些应用。40总结：是一种电致动的柔性智能高分子材料，在软性机械致动器、应力传感器、人工肌肉、人体内的驱动材料等方面有着广阔的应用前景,也面临着不断的挑战。离子聚合物金属复合材料(ionicpolymermetalcomposite,IPMC):41[1]M.Shahinpooretal./ElectrochimicaActa48(2003)2343/2353[2]K.Jungetal./SensorsandActuatorsA107(2003)183–192[3]K.J.Kimetal./Polymer43(2002)797-802[4]M.Shahinpooretal./SensorsandactuatorsA96(2002)125-132[5]JasonW.Paquetteetal./SensorsandActuators118(2005)135–143[6]E.T.Enikov,G.S.Seo/SensorsandActuatorsA122(2005)264–272[7]Y.Toi,S.-S.Kang/ComputersandStructuresARTICLEINPRESS[8]M.Shahinpooretal./SmartMater.Struct.10(2001)819–833[9]M.Shahinpooretal./SmartMater.Struct.12(2003)65–79[10]M.Shahinpooretal./SmartMater.Struct.13(2004)1362–1388[11]M.Shahinpooretal./SmartMater.Struct.14(2005)197–214[12]TadokoroS,etal./2001ElectroactivePolymer(EAP)ActuatorsasArtificial[13]Muscles,Reality,Potential,andChallengesedYBar-Cohen(Washington,DC:SPIE)[14]OguroK,AsakaKandTakenakaH1993USPatentSpecification5,268,082[15]BandyopadhyayPR/IntegrativeComparativeBiol.42(2002)102–117[16]DeGennesPG,,etal./Europhys.Lett.505(2000)13–18参考文献：42