磺化聚合物基離子聚合物-金屬復(fù)合物(IPMC)電驅(qū)動器的制備與性能.pdf

1、離子聚合物-金屬復(fù)合物(Ionic polymer-metal composite,IPMC)是一種電驅(qū)動材料，由離子交換膜和覆蓋在其表面的金屬電極組成。IPMC電驅(qū)動器具有質(zhì)量輕、加工性能好、柔韌性高、驅(qū)動電壓低、形變量大、響應(yīng)速度快、驅(qū)動安靜、生物相容性好、可微型化以及可在水環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于生物醫(yī)療、仿生機(jī)器人、壓力傳感器等領(lǐng)域。離子交換膜是 IPMC中最為關(guān)鍵的材料之一。杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜具有卓越的質(zhì)子電導(dǎo)率、

2、熱/化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度和柔韌性，Nafion基IPMC也具有良好的電驅(qū)動性能。但由于Nafion膜的價(jià)格較貴、生物降解性差、保水能力差、性質(zhì)(如離子交換容量、吸水率、力學(xué)性質(zhì)以及膜厚等)固定不變等缺點(diǎn)，限制了IPMC的實(shí)際應(yīng)用。本學(xué)位論文在不降低IPMC電驅(qū)動性能的前提下，用合成簡單、價(jià)格低廉的新型離子交換膜替代Nafion膜以制備高性能 IPMC。利用簡單的后磺化法合成了四類不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的磺化聚合物，制備了相應(yīng)的離子交換膜和IPMC

3、電驅(qū)動器，探討了磺化度對離子交換膜性質(zhì)、IPMC電驅(qū)動性能的影響。
　　(1)以聚醚醚酮為原料，合成了三種不同磺化度的磺化聚醚醚酮(SPEEK)，通過溶液澆鑄和化學(xué)鍍Pt制備SPEEK基IPMC。SPEEK膜的離子交換容量(IEC)、吸水率和質(zhì)子電導(dǎo)率隨著磺化度的增加而增大，SPEEK膜和SPEEK基IPMC在濕態(tài)下的拉伸模量和拉伸強(qiáng)度隨之降低。SPEEK膜的IEC、吸水率、濕模量明顯高于Nafion膜，而質(zhì)子電導(dǎo)率低于Nafio

4、n膜。SPEEK基IPMC的最大應(yīng)變隨著SPEEK膜磺化度的增加而增加，這是由于IEC、吸水率和離子電導(dǎo)率增加且SPEEK基IPMC濕模量降低的緣故。SPEEK基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)總體上不如Nafion基IPMC。
　　(2)以聚醚醚砜為原料，制備了四種不同磺化度的磺化聚醚醚砜(SPEES)膜和SPEES基IPMC。研究表明，SPEES膜的IEC、吸水率和質(zhì)子電導(dǎo)率隨著磺化度的增加而增大，而SPEES膜和SPEES基IP

5、MC在濕態(tài)下的拉伸模量隨之降低。SPEES膜的IEC、吸水率遠(yuǎn)高于Nafion膜，而SPEES膜的質(zhì)子電導(dǎo)率低于Nafion膜。與SPEEK基IPMC相似，SPEES基IPMC的最大應(yīng)變隨著SPEES膜磺化度的增加而增大。在直流電壓下，SPEES4基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)低于Nafion基IPMC和SPEEK3基IPMC；而在正弦電壓下，SPEES4基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)與Nafion基IPMC大致相當(dāng)，高于SPEEK3基

6、IPMC。
　　(3)以聚砜為原料，合成了四種不同磺化度的磺化聚砜(SPSU)，制備了SPSU基IPMC。SPSU膜的離子交換容量、吸水率和質(zhì)子電導(dǎo)率均隨著磺化度的增加而增大。由于水的增塑作用，SPSU基IPMC在濕態(tài)下的拉伸模量隨著磺化度的增加而降低低。與SPEEK基IPMC、SPEES基IPMC相似，SPSU基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)隨著磺化度的增加而提高。相比Nafion膜，SPSU膜的IEC、吸水率和濕模量明顯高于Na

7、fion膜，而其質(zhì)子電導(dǎo)率低于Nafion膜，SPSU基IPMC的濕模量比Nafion基IPMC更高，因此SPSU基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)低于Nafion基IPMC。此外，磺化度最高的SPSU4基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)低于SPEEK3基IPMC、SPEES4基IPMC。
　　(4)以聚苯砜為原料，通過類似的方法制備了磺化聚苯砜(SPPSU)膜和相應(yīng)的IPMC。與SPEEK膜、SPEES膜和SPSU膜類似，SPPSU膜的

8、IEC、吸水率和質(zhì)子電導(dǎo)率均隨著磺化度的增加而增大，而SPPSU膜和SPPSU基IPMC在濕態(tài)下的拉伸模量隨之降低。與Nafion相比，SPPSU膜的IEC、吸水率和濕模量明顯高于Nafion膜，其質(zhì)子電導(dǎo)率低于Nafion膜。SPPSU基IPMC的最大應(yīng)變隨著SPPSU膜磺化度的增加而增大，磺化度成為繼電壓、頻率之后的第三種可以調(diào)控IPMC電驅(qū)動性能(應(yīng)變)的重要因素。在直流電壓下，磺化度最高的SPPSU4基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變

9、)與Nafion基IPMC大致相當(dāng)。而在正弦電壓下，SPPSU4基IPMC的電驅(qū)動性能(應(yīng)變)明顯高于Nafion基IPMC、SPEEK3基IPMC、SPEES4基IPMC和SPSU4基IPMC。因此，SPPSU4膜有望替代Nafion膜以制備低成本高性能的IPMC電驅(qū)動器。
　　(5)將有序介孔碳與Nafion復(fù)合，通過溶液澆鑄、化學(xué)鍍Pt制備了Nafion/CMK-3復(fù)合膜基IPMC。初步研究發(fā)現(xiàn)，CMK-3的加入對Nafio