一种IPMC致动器的制备方法与流程

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种ipmc致动器的制备方法。

背景技术：

ipmc(ionicpolymer-metalcomposites)，全称离子聚合物金属复合材料，是一种离子型的eap(electroactivepolymer)材料，它具有致动性能好、无噪音、密度低、驱动电压低、韧性好等优点。ipmc是由基底膜和两侧的金属镀层构成的一种“三明治”材料，由于施加电信号能使其弯曲，致动机理与肌肉相似，因此又被称为“人工肌肉”。与普通的驱动器相比，用ipmc制成的致动器无需轴承、齿轮等传动机构，提高能量转换率，使许多科学幻想有望变成现实。

传统的ipmc主要用pt、au等贵金属经多次化学镀而制成，这种制备方法不仅成本高、生产周期长，而且在非水环境下工作时，膜内的水易被电解，使其致动性能不稳定。近年来pt-ni复合电极等类型的ipmc被广泛研究，虽然复合电极的ipmc有较好的致动性能且节约生产成本，但电极在空气中易氧化，极大限制该类型的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种ipmc致动器的制备方法，具体为pt-cu型ipmc致动器，针对其在空气中易氧化、膜内的水易被电解的问题，采用丁基橡胶和聚二甲基硅氧烷进行封装，最后，使cu镀层维持22天以上，输出响应稳定，非水工作时间也得到延长。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种ipmc致动器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，化学镀铂：

(1)将nafion117膜依次经打磨、清洗与煮沸后，形成预处理后基膜；

(2)将预处理后基膜浸泡在二氯四氨合铂pt(nh3)4]cl2溶液中，进行离子吸附，形成浸泡基膜，其中，所述的浸泡时间为20～28h；

(3)采用去离子水清洗浸泡基膜后，将其放入烧杯中，加入去离子水，将烧杯至于调温水域中，向烧杯中分批次加入硼氢化钠(nabh4)溶液，每次加入硼氢化钠(nabh4)溶液后，均不断搅拌溶液至无气泡产生且烧杯内溶液不再变黑后，再加入下批次的硼氢化钠溶液，直至硼氢化钠溶液全部加入后，溶液不再变黑，形成镀铂基膜，取出镀铂基膜，采用去离子冲洗后，置于去离子水中保存待用；

步骤2，电镀铜：

(1)将镀铂基膜干燥后，置于1～2mol/l的硫酸铜溶液中浸泡10～15h；

所述的步骤2(1)中，镀铂基膜干燥方式为真空干燥，干燥时间为4～5h。

(2)电镀液配制：

取去离子水，向去离子水中加入焦硫酸钾和焦硫酸铜，搅拌形成均匀溶液后，调节均匀溶液ph值为6.6～6.8，形成电镀液，所述的电镀液中焦硫酸铜浓度为55～65g/l，焦磷酸钾浓度为295～305g/l；

(3)电镀铜：

将浸泡后镀铂基膜裁剪后固定，采用电镀液进行镀铜处理，形成镀铜后基膜，进行封装，制得ipmc致动器，其中，所述的电镀时间为90～150s，电镀温度为40～45℃。

所述的步骤1(1)中，打磨、清洗与煮沸具体过程为：采用1200#的砂纸打磨nafion117膜；之后超声清洗10min，再用2mol/l的稀盐酸和去离子水各煮沸30min；

所述的步骤1(3)中，烧杯中加入的去离子水量以使浸泡基膜完全浸泡于去离子水中为准。

所述的步骤1(3)中，硼氢化钠溶液质量分数为5％。

所述的步骤1(3)中，硼氢化钠溶液相邻两批次加入时间间隔为20～40min。

所述的步骤1(3)中，硼氢化钠溶液分多次加，以使pt²⁺被更充分还原，每次刚加硼氢化钠溶液的时候，由于发生氧化还原反应，溶液会变成灰黑色，待溶液中的硼氢化钠或者铂离子被完全消耗后，溶液恢复透明状态，防止未被充分还原处表面会有铂的氧化物形成的黑色印记，对制成的ipmc的致动性能有显著的恶化作用。

所述的步骤1(3)中，调温水域初始温度为30～40℃，在批次加入硼氢化钠(nabh4)溶液至溶液最后不再变黑的过程中，将调温水域温度由30～40℃匀速升至62℃，以使pt²⁺还原充分及提高反应速度。

所述的步骤1(3)中，硼氢化钠nabh4溶液批次加入总量以使还原后基膜表面附带的pt²⁺完全去除为准。

所述的步骤1(3)中，硼氢化钠溶液按批次全部加入后，溶液不再变黑，呈透明状，再次加入硼氢化钠溶液，并在62℃搅拌1.5～2h，验证pt²⁺是否被反应完全，以使pt²⁺还原更彻底，形成镀铂基膜。

所述的步骤2(2)中，均匀溶液颜色为均匀的蓝色。

所述的步骤2(2)中，采用柠檬酸三铵和氨水调节均匀溶液ph值。

所述的步骤2(2)，搅拌过程中，同时加热溶液，使其在20min内由室温匀速升温至40～45℃；

所述的步骤2(3)中，封装具体过程为：将镀铜后基膜浸没于丁基橡胶中，20～40s后取出，置于两片载玻片之间，使试样平整后，将镀铜后基膜浸没于聚二甲基硅氧烷中1～3min，以延缓膜内的水的电解速度，完成封装。

所述的步骤2(3)中，制备的ipmc致动器经测试，在1～3v，π/5hz的正弦电压下的最大位移达到3.6～10.3mm，在空气中连续测试230s仍有良好的致动性能，其输出响应重复性好，易于控制。

本发明的有益效果：

本发明ipmc的制备方法将周期缩短了20％，降低了生产成本。并且采用丁基橡胶和聚二甲基硅氧烷对镀铜基膜进行封装，延缓了cu镀层的氧化，减少膜内的水分子丢失速率，非水工作时间提高60％左右，有较大的应用价值。

附图说明：

图1为实施例1形成的镀铜基膜的表面扫描图像；

图2为实施例1形成的镀铜基膜的截面扫描图像；

图3为实施例1制备的ipmc致动器在1v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果，其最大位移为3.6mm；

图4为实施例1制备的ipmc致动器在2v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果，其最大位移为6.0mm；

图5为实施例1制备的ipmc致动器置于空气中3天后，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果，其最大位移为9.3mm；

图6为实施例1制备的ipmc致动器置于空气中7天后，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果，其最大位移为9.6mm；

图7为实施例1制备的ipmc致动器置于空气中15天后，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果，其最大位移为10.2mm；

图8为实施例1制备的ipmc致动器置于空气中22天后，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果，其最大位移为10.3mm。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

实施例中采用的扫描设备为epma，型号为jxa-8530f。

封装用的丁基橡胶来自市购，并按分子量为2000和5000的1:2的比例配制。

一种ipmc致动器的制备方法，包括如下步骤：

(1)化学镀铂

取nafion117膜，厚度为0.2μm，首先用1200#的砂纸打磨nafion117膜至0.17μm厚；之后用超声波清洗10min，再用2mol/l的稀盐酸和去离子水各煮沸30min；

离子吸附采用的是二氯四氨合铂(化学式：[pt(nh3)4]cl2)溶液，将预处理后的基膜浸泡在含有该溶液的烧杯中24h，形成浸泡基膜，尺寸为5cm×6cm，浸泡基膜中pt²⁺含量为3mg/cm³；

nafion117膜浸泡完成后，向溶液中滴加质量分数5％的氨水，以调节ph值，最后将溶液静置在室温下8h；用去离子水清洗nafion117膜，之后将其放入烧杯，加入适量去离子水，将烧杯置于初始温度为30℃的调温水域中，并向烧杯中加入6ml质量分数为5％的硼氢化钠(nabh4)溶液，搅拌，溶液会变黑，待烧杯中的溶液不产生气泡且不再变黑时，再加第二批次硼氢化钠溶液6ml，若溶液中存在pt²⁺，加入硼氢化钠溶液会使其变黑，硼氢化钠溶液每次加入间隔30min，加7次后溶液不再变黑，说明反应完全，在这个过程中，将溶液温度由30℃匀速升至62℃，最后，再次添加25ml的nabh4溶液，在62℃下搅拌1.5h，此时溶液已不再变黑，呈透明状，表示溶液中pt²⁺完全去除，再用去离子水冲洗膜表面，形成镀铂基膜，将镀铂基膜置于去离子水中保存；

(2)电镀铜

先将镀铂基膜置于真空干燥箱中5h，再用2mol/l的硫酸铜溶液浸泡12h；镀液经室温20min内匀速加热至43℃，加热速度不应过快，防止溶液局部过热，使焦磷酸钾水解；将焦磷酸铜倒入溶液中，定容并不断搅拌，直至烧杯中溶液呈均匀的蓝色；配制得电镀液，电镀液中焦硫酸铜浓度为60g/l，焦磷酸钾浓度为300g/l，最后用适量柠檬酸三铵和氨水调节镀液ph值至6.6～6.8；电镀开始前，将镀铂基膜裁剪成1cm×3.5cm的小片，用铜夹子固定；电镀时，控制搅拌速度和电镀时间，仔细观察膜表面的变化，尽量使镀层均匀，电镀120s后，完成电镀铜，形成镀铜基膜，该镀铜基膜表面扫描图像如图1所示，截面扫描图像如图2所示；

(3)封装

用镊子夹持镀铜基膜，浸没于丁基橡胶中，30s后取出，将镀铜基膜置于两片载玻片之间，使试样平整，载玻片两端用夹子夹住；测试致动性能之前，将镀铜基膜浸末于聚二甲基硅氧烷中1min，以延缓膜内的水的电解速度，制得ipmc致动器，经测试，该ipmc致动器在1v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图3所示，在2v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图4所示，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图5所示，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图6所示，置于空气中15天后，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图7所示，置于空气中22天后，在3v，π/5hz的正弦信号下的致动性能测试结果如图8所示，1v，5/πhz的正弦电压下的最大位移为3.6mm，3v，5/πhz的正弦电压下的最大位移为10.3mm；由此可见，本发明制备的致动性能稳定，具有重复性好，易于控制等优点。