EVOH基離子聚合物的合成及其薄膜電形變性能研究.pdf

1、離子聚合物金屬復合材料(IPMC)可作為驅(qū)動材料用于制造尺寸細小的器件，用于操作細胞、生物器官等；如制成人工假體，用于肢體殘障者恢復某些功能；如制成質(zhì)量輕、能耗低的人工手臂，代替重量大、能耗高的馬達-齒輪機械手臂。美、日等國的科學家準備用聚合物基機械手，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的馬達-齒輪機械系統(tǒng)，用在太空探測器上采集巖石標本、清潔觀測窗玻璃等。利用聚合物基人工肌肉可使設備與器件小型化，從而推動微電子機械系統(tǒng)技術的發(fā)展。目前世界范圍內(nèi)只有少數(shù)國家掌握了

2、IPMC的合成、成型及復合技術，我國在自主研發(fā)IPMC領域尚屬起步階段。所以進行IPMC的合成、性能及金屬復合技術研究對我國新型智能材料的開發(fā)具有重大的現(xiàn)實意義。
　　本論文首先對離子聚合物中間體（EVOH-g-nPEG）及其離子聚合物（EVOH-g-nSPEG）的合成進行了研究。分別采用環(huán)氧乙烷工藝和氯代醇工藝合成了EVOH-g-nPEG中間體，對合成的中間體采用傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、氫核磁（1H-NMR）、凝膠滲透

3、色譜（GPC）等方法進行了表征分析，研究表明氯代醇法的實驗過程簡單，且接枝側(cè)鏈的長度較易控制，EVOH-g-nPEG接枝度達到40～41％。利用FT-IR和GPC分析研究了EVOH-g-nPEG與1,3-丙烷磺酸內(nèi)酯的內(nèi)酯開環(huán)反應，分析探討影響內(nèi)酯開環(huán)反應的關鍵因素，對EVOH-g-nSPEG的化學結(jié)構(gòu)、分子量進行了表征分析。EVOH-g-nSPEG的TG分析表明EVOH-g-nSPEG的熱失重曲線有兩個失重臺階，與磺酸發(fā)生強烈締合作用

4、的水的分解可能發(fā)生在第一個失重臺階之前。
　　分別采用溶液鑄膜和高壓靜電紡絲法制備了EVOH-g-nSPEG薄膜。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡(AFM）分析方法對EVOH-g-nSPEG鑄膜的表面形貌和濕態(tài)下的微團簇結(jié)構(gòu)進行了研究，并對兩種薄膜的飽和吸水率、離子交換容量、離子電導率進行了表征，并討論薄膜形態(tài)對上述性能的影響。其中鑄膜和電紡膜的最大飽和吸水率分別達到了157.2%和233.5%；EVOH-g-nSPEG

5、主鏈結(jié)晶性并沒有因為電紡工藝而降低，而濕態(tài)下的薄膜中水的存在明顯地降低了主鏈的結(jié)晶性。EVOH-g-nSPEG膜質(zhì)子電導率總體上是隨著側(cè)鏈長度的增加而下降的，并且鑄膜的質(zhì)子電導率比電紡膜的小。
　　為了研究IPMC的電形變性能，首先采用滲透還原工藝制備了IPMC，并利用掃描電子顯微鏡分析和能譜分析方法對IPMC的微觀形貌和電極厚度進行了分析研究。建立起了定性表征形變臨界電壓的方程式，利用循環(huán)伏安分析以及四電極法、截距法研究了IPM

6、C的膜內(nèi)電化學反應、電極表面電阻和形變臨界電壓，研究了IPMC的化學結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)以及電極結(jié)構(gòu)對形變臨界電壓的影響，并利用電形變實驗研究了IPMC端點形變位移、端點形變響應時間以及彎曲形變應力。其中，鑄膜IPMC鉑電極厚度最大可以達到20.94μm，而Pt/Ag復合金屬電極的表面電阻最低可達10.28?/m2，電紡膜IPMC的鉑電極平均厚度最大可以達到33.52μm。當側(cè)鏈氧乙烷重復單元數(shù)小于4時，側(cè)鏈長度越長，所需要的UR越高。兩種膜中

7、，電紡膜IPMC的形變臨界電壓略低，且形變臨界電壓基本上隨電極表面電阻的增加而提高。不同反離子的IPMC進行形變實驗時，反離子的擴散能力越強，離子電導率越高，形變臨界電壓越低。當在IPMC-0-M（H、Li、Na、K）連續(xù)提高負載電壓時，其端點形變位移都隨負載電壓的提高而逐漸加大，在4.2V～4.4V負載電壓區(qū)域，端點最大形變位移達到較高的數(shù)值。在相同的負載電壓下，鑄膜IPMC顯示出較高的彎曲形變應力，其最高的彎曲形變應力達到4.75M