一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法与流程

本发明涉及新型人工肌肉驱动器技术领域，具体涉及一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法。

背景技术：

随着智能化的迅速崛起，人们对软体机器人领域的探索愈加火热。驱动软体机器人最重要的就是探索新型的驱动材料，该种材料即为人工肌肉材料。常见的人工肌肉分为磁驱动、气动和电驱动等。由于气动人工肌肉在工作时负载庞大，因此难于微型化；磁驱动材料受制于磁场的范围，相比之下，电驱动材环保、响应性好、又易于微型化。在这些被驱动的材料中离子型聚合物在较低电压下可以产生较大的位移，因而备受青睐。

离子聚合物薄膜与表面的金属电极(一般都采用铂、金、银等)复合后称为离子聚合物—金属复合材料。其基膜内部分子具有固定的阴离子带电网链，可移动的阳离子能够通过网链迁移或扩散。当在材料两面施加电场后，片内部可移动的水合阳离子在静电力的驱动下会发生从阳极到阴极的迁移。与此同时，与阳离子结合在一起的水分子会向阴极聚集，使得膜片靠阴极的一面发生膨胀，靠阳极的一面收缩，从而在宏观上产生向阳极方向的弯曲变形。由于离子聚合物—金属复合材料驱动电压低、相应性好、质轻和位移大等特点，其在微型驱动器、航天、医疗及人工肌肉领域有着广阔的前景。

但是由于传统的离子聚合物—金属复合材料都是以铂、金、钯之类的贵金属作为电极，其价格十分昂贵，因此在很大程度上限制了该材料的广泛应用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的问题，目的在于提供一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，该方法制备的材料成本更低，力输出更大，更有利于扩宽这种材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：

(1)离子吸附

将预处理后的nafion膜放入硝酸银溶液中浸渍8～12h，清洗，得到全氟磺酸膜；

(2)化学镀铜

将全氟磺酸膜放入镀铜液中在35～40℃下，反应38～40min，得到铜型离子聚合物—金属复合材料；

(3)离子交换

将铜型离子聚合物—金属复合材料置于氯化锂溶液中浸泡后，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

本发明进一步的改进在在于，步骤(1)中，nafion膜预处理的具体过程如下：

1)粗化：将nafion膜裁成片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明；

2)清洗：超声波清洗；

3)稀盐酸处理：将nafion膜在1.5mol/l的盐酸溶液中煮20～25min，然后在去离子水中漂洗；

4)去离子水处理：将nafion膜在去离子水中煮15～25min，然后采用去离子水清洗。

本发明进一步的改进在在于，步骤(2)中，镀铜液的配制过程如下：

将乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾以及柠檬酸三钠二水合物加入到水中，混合均匀；然后加入无机碱调节ph值为11，再加入五水硫酸铜，混合均匀后加入甲醛溶液搅拌均匀后，加入三水合亚铁氰化钾和的2,2-联吡啶，搅拌均匀，得到镀铜液；其中，乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾、二水合柠檬酸三钠、五水硫酸铜、三水合亚铁氰化钾和2,2-联吡啶的质量比为(45～50)：35.05：(25～30)：(40～42)：0.025：(0.03～0.06)。

本发明进一步的改进在在于，乙二胺四乙酸二钠与水的比为(45～50)g：1500ml。

本发明进一步的改进在在于，无机碱为氢氧化钠。

本发明进一步的改进在在于，乙二胺四乙酸二钠与甲醛溶液的比为(45～50)g：37.5ml，其中，甲醛溶液的质量浓度为37％。

本发明进一步的改进在在于，步骤(3)中，氯化锂溶液的浓度为2mol/l。

本发明进一步的改进在在于，骤(3)中，浸泡的时间为3～4h。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

(1)比传统的离子聚合物—金属复合材料成本更低，因为本发明以铜作为该材料的电极，而传统的电极材料一般为铂、金、钯等贵金属，因此本发明能更好地推动其广泛应用；

(2)原料更易得：铜还原的技术要比铂、金等更容易，且铜原料市场分布广泛；

(3)力输出更大：经过将本发明与传统铂电极离子聚合物—金属复合材料力输出进行对比，发现用铜作为电极提高了其力输出。

(4)更大程度节约了制备时间：传统的铂电极离子聚合物—金属复合材料制备时间都在27h以上，而本发明的铜电极离子聚合物—金属复合材料制备时间约为16h。

(5)电压耐受范围广：传统铂电极的离子聚合物—金属复合材料驱动电压一般为3～5v，超过6v就会失效，而铜电极离子聚合物—金属复合材料驱动电压为3～10v，超过10v才会失效，因此本发明有限避免了该材料由于电压过大导致的失效问题。

附图说明

图1为离子聚合物—金属复合材料在电场下弯曲原理图；其中，(a)为通电前，(b)为通电后。

图2为弯曲状态图，其中，(a)为施加电压前；(b)为施加电压后。

图3为铂电极离子聚合物—金属复合材料和铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉耐受电压对比图，其中，(a)为铂电极离子聚合物—金属复合新材料；(b)为铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

图4为铂电极离子聚合物—金属复合材料和铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉力输出对比图，其中，(a)为铂电极离子聚合物—金属复合新材料；(b)为铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明的一种新型铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉的制备方法主要包括：

(1)nafion基膜的前期处理

1)粗化：将nafion膜裁成1×5cm²大小的片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明即可(要注意打磨的纹理分布尽量细化和规整)；

2)清洗：超声波清洗，除去表面杂质；

3)稀盐酸处理：将nafion膜在1.5mol/l的盐酸溶液中煮20～25min，去除nafion膜中的添加剂和其他离子，然后在去离子水中漂洗；

4)去离子水处理：将nafion膜在去离子水中煮15～25min，去除酸，然后对其用去离子水清洗。

(2)离子吸附

配制3g/l的硝酸银溶液100ml，然后将处理好的nafion膜放入到上述溶液中浸渍一整晚(即12h)，然后取出用去离子水洗去未被吸附的ag⁺，得到全氟磺酸膜。

(3)镀铜液的配制

1)称取乙二胺四乙酸二钠(edta二钠)45～50g，酒石酸钾35.05g，柠檬酸三钠二水合物25～30g，加入到1500ml水中后在磁力搅拌器下搅拌溶解；

2)将naoh一点点加入，一边加一边测溶液ph值，当ph值为11时停止加入naoh；

3)称取将五水硫酸铜40～42g加入上述溶液中搅拌溶解(此时溶液呈深蓝色)；

4)量取37wt％的甲醛37.5ml加入上述溶液中，搅拌15～20min；

5)然后加入0.025g三水合亚铁氰化钾和0.03g～0.06g的2,2-联吡啶，磁力搅拌溶解，得到镀铜液。

(4)化学镀铜

将吸附了银离子的全氟磺酸膜放入镀铜液中进行化学镀铜将铜电极沉积到全氟磺酸膜表面，具体为在35～40℃下，反应38～40min后将其取出，得到铜型离子聚合物—金属复合材料。

(5)离子交换

将制备好的铜型离子聚合物—金属复合材料置于2mol/l的氯化锂溶液中浸泡3～4h，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

下面为具体实施例。

实施例1

(1)nafion基膜的前期处理

1)粗化：将nafion膜裁成1×5cm²大小的片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明即可(要注意打磨的纹理分布尽量细化和规整)；

2)清洗：超声波清洗，除去表面杂质；

3)稀盐酸处理：将nafion膜在1.5mol/l的盐酸溶液中煮25min，去除nafion膜中的添加剂和其他离子，然后在去离子水中漂洗；

4)去离子水处理：将nafion膜在去离子水中煮25min，去除酸，然后对其用去离子水清洗。

(2)离子吸附

配制3g/l的硝酸银溶液100ml，然后将处理好的nafion膜放入到上述溶液中浸渍一整晚(即12h)，然后取出用去离子水洗去未被吸附的ag⁺，得到全氟磺酸膜。

(3)镀铜液的配制

1)称取乙二胺四乙酸二钠(edta二钠)48.8g，酒石酸钾35.05g，柠檬酸三钠二水合物30g，加入到1500ml水中后在磁力搅拌器下搅拌溶解；

2)将naoh一点点加入，一边加一边测溶液ph值，当ph值为11时停止加入naoh；

3)称取将五水硫酸铜40.025g加入上述溶液中搅拌溶解(此时溶液呈深蓝色)；

4)量取37wt％的甲醛37.5ml加入上述溶液中，搅拌15min；

5)然后加入0.025g三水合亚铁氰化钾和0.05g的2,2-联吡啶，磁力搅拌溶解，得到镀铜液。

(4)化学镀铜

将吸附了银离子的全氟磺酸膜放入镀铜液中进行化学镀铜，在35℃下，反应39min后将其取出，得到铜型离子聚合物—金属复合材料。

(5)离子交换

将制备好的铜型离子聚合物—金属复合材料置于2mol/l的氯化锂溶液中浸泡3h，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

(6)耐受电压测试

分别给传统的铂电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉和本发明制备的铜电极离子聚合物—金属复合材料宽度一端施加不同的电压，其得到的结果如图3所示。

从图3可以看出，铂电极离子聚合物—金属复合材料在3v、4v、5v电压下，ipmc位移都是随着电压上升而增大，而6v直流电下其之所以却没能保持位移继续增大的特性，是因为电压过高，导致ipmc失效；而铜电极离子聚合物—金属复合材料其位移随电压变化趋势不明显，但是耐受电压的范围要比铂电极离子聚合物金属复合材料广，在施加10v电压后其表面出现龟裂现象并且回复效果也变得极差。

(7)力输出测试

分别对传统的铂电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉和本发明制备的铜电极离子聚合物—金属复合材料宽度一端施加不同的电压测试其力输出，得到的结果如图4所示。

从图4可以看出，铂电极离子聚合物金属复合材料在1cm，3v时候力输出最大，约为13.5mn；铜电极离子聚合物金属复合材料在1cm，8.5v时候力输出达到最大值，约为17mn。因此，使用铜作为电极在一定程度上提高了该材料的力输出。

实施例2

(1)nafion基膜的前期处理

1)粗化：将nafion膜裁成1×5cm²大小的片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明即可(要注意打磨的纹理分布尽量细化和规整)；

2)清洗：超声波清洗，除去表面杂质；

3)稀盐酸处理：将nafion膜在1.5mol/l的盐酸溶液中煮20min，去除nafion膜中的添加剂和其他离子，然后在去离子水中漂洗；

4)去离子水处理：将nafion膜在去离子水中煮20min，去除酸，然后对其用去离子水清洗。

(2)离子吸附

配制3g/l的硝酸银溶液100ml，然后将处理好的nafion膜放入到上述溶液中浸渍一整晚(即12h)，然后取出用去离子水洗去未被吸附的ag⁺，得到全氟磺酸膜。

(3)镀铜液的配制

1)称取乙二胺四乙酸二钠(edta二钠)40g，酒石酸钾35.05g，柠檬酸三钠二水合物25g，加入到1500ml水中后在磁力搅拌器下搅拌溶解；

2)将naoh一点点加入，一边加一边测溶液ph值，当ph值为11时停止加入naoh；

3)称取将五水硫酸铜40g加入上述溶液中搅拌溶解(此时溶液呈深蓝色)；

4)量取37wt％的甲醛37.5ml加入上述溶液中，搅拌20min；

5)然后加入0.025g三水合亚铁氰化钾和0.03g的2,2-联吡啶，磁力搅拌溶解，得到镀铜液。

(4)化学镀铜

将吸附了银离子的全氟磺酸膜放入镀铜液中进行化学镀铜，在40℃下，反应38min后将其取出，得到铜型离子聚合物—金属复合材料。

(5)离子交换

将制备好的铜型离子聚合物—金属复合材料置于2mol/l的氯化锂溶液中浸泡4h，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

实施例3

(1)nafion基膜的前期处理

1)粗化：将nafion膜裁成1×5cm²大小的片状并用依次用800和1000目砂纸进行打磨，打磨至两面完全不透明即可(要注意打磨的纹理分布尽量细化和规整)；

2)清洗：超声波清洗，除去表面杂质；

3)稀盐酸处理：将nafion膜在1.5mol/l的盐酸溶液中煮22min，去除nafion膜中的添加剂和其他离子，然后在去离子水中漂洗；

4)去离子水处理：将nafion膜在去离子水中煮15min，去除酸，然后对其用去离子水清洗。

(2)离子吸附

配制3g/l的硝酸银溶液100ml，然后将处理好的nafion膜放入到上述溶液中浸渍一整晚(即12h)，然后取出用去离子水洗去未被吸附的ag⁺，得到全氟磺酸膜。

(3)镀铜液的配制

1)称取乙二胺四乙酸二钠(edta二钠)50g，酒石酸钾35.05g，柠檬酸三钠二水合物27g，加入到1500ml水中后在磁力搅拌器下搅拌溶解；

2)将naoh一点点加入，一边加一边测溶液ph值，当ph值为11时停止加入naoh；

3)称取将五水硫酸铜42g加入上述溶液中搅拌溶解(此时溶液呈深蓝色)；

4)量取37wt％的甲醛37.5ml加入上述溶液中，搅拌17min；

5)然后加入0.025g三水合亚铁氰化钾和0.06g的2,2-联吡啶，磁力搅拌溶解，得到镀铜液。

(4)化学镀铜

将吸附了银离子的全氟磺酸膜放入镀铜液中进行化学镀铜，在37℃下，反应40min后将其取出，得到铜型离子聚合物—金属复合材料。

(5)离子交换

将制备好的铜型离子聚合物—金属复合材料置于2mol/l的氯化锂溶液中浸泡3h，得到铜电极离子聚合物—金属复合材料人工肌肉。

本发明首先对nafion基底膜进行打磨和前期处理并浸泡在硝酸银溶液中，然后配制化学镀铜液，利用化学镀的方式将铜电极沉积在基膜两侧制成铜型离子聚合物金属复合材料(cu-ipmc)。这种人工肌肉在外加点乘下可以产生弯曲和形变，其原理如图1中的图(a)和(b)所示，弯曲状态如图2所示，其中，(a)为施加电压前；(b)为施加电压后。相比于将已有的银、铂、金和钯等贵金属作为电极，使用铜作为离子聚合物—金属复合材料的电极，能很大程度上降低其制作成本并且提高力输出，以便于使该材料的应用更加广泛。