专利名称：一种电活性聚合物材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型电活性聚合物材料及其制备方法，更具体地说， 是涉及一种以纤维素和壳聚糖为基材的新型电活性聚合物材料及其制备方法。
背景技术：
电活性材料是一类能够在外电场诱导下，产生形变，从而产生力学响 应的材料。电活性材料的响应形式可以有弯曲、收缩或膨胀等，从而可以实现驱动、紧固、传 感等功能。由于这类材料直接受外界信号刺激产生运动，用这类材料作为驱动装置可以构 造成新型的产品、机电系统或机器人(动物)，其中不需要常规机械驱动装置，诸如马达、机 轴、齿轮等，大大减轻了系统的重量，改变了传统的机器的概念，为未来异型机器或系统提 供了广阔的创新空间，从而引起了众多研究人员和工程师、技术人员的关注。电活性材料开 发应用可追溯到1880年，伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变。之后 在1925年压电聚合物被发现并被用作传感器。1949年Katchalsky发现胶原质纤维在酸碱 溶液中可重复收缩和膨胀，这是聚合物材料的化学响应性被首次发现。1969年，研究者发 现聚偏氟乙烯材料具有较大的压电效应，人们开始把目光投向其聚合物体系，之后大量具 有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。随着电活性材料研究的不断深入和发展，其 巨大的应用前景已呈现在人们面前。电活性材料可作为人工肢体和人造器官、供宇航员和 残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工 程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术 的发展。目前国际上研究目标之一是制造“昆虫”机器人，可用于军事、医疗等领域。利用 电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器，可用于制造无噪声的微型舰船。基于此构想，电活性聚 合物的第一个商业用途早已实现，但仅作为玩具。2002年12月，日本大阪的一家公司生产 出一种机械鱼，可以在水中自由地游弋，这是电活性聚合物发展史上的一个里程碑。目前电 活性聚合物材料已经被开发的科学应用领域主要有飞行器、可控制织物、机器人、医疗等， 然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制，电活性聚合物材料可以分为电子型和离子 型两大类。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系 不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系。这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合 物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物等；离子型聚合物即电流活性材料，包括离子聚合物、聚合 物电解质凝胶、导电聚合物等，因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要通过 离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的。由于电子比离子移动的更快些，电子型聚合 物的反应时间较短，仅几微秒，其能量密度也较大，并可长时间在空气中运行，而离子材料 在必须浸浴在液体溶剂中。但是，电子型聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150MV/ m)。电子型与离子型两种电活聚合物性材料各有优缺点。电子型电活聚合物性材料的优 点在于其可以在室内环境下长时间的驱动，响应速度快，响应时间为微秒级；可以在电场下 长时间的保持应变状态，能够产生相对较大的驱动力；缺点是需要很高的驱动电场，一般得 150MV/m,电压至少在IKV以上，应力和应变相互妥协，应变大则所产生应力小，应力大则应 变小。由于玻璃化转变温度的影响，电子型电活聚合物性材料不适合在低温下工作。铁电聚 合物材料由于居里温度的限制，不适合高温环境工作。离子型电活聚合物性材料的优点是 在1 7V的低电压下能够产生大的弯曲应变，通过施加电压方向的调整可实现可控双向驱动；缺点是除了导电聚合物和碳纳米管复合材料，其它离子型在电场下不能维持应变状态， 而且响应速度较慢，弯曲应变产生的应力相对较小，除导电聚合物，其它类型很难得到均勻 的材料，尤其是离子聚合物_金属复合材料。如何能够综合电子型与离子型两种电活聚合 物性材料的优点，这是电活聚合物性材料迈向商业应用必须解决的关键问题之一。发明内容本发明的目的是以纤维素和壳聚糖为基材，将其应用于电活性材料 中，提出了一种新型的纤维素和壳聚糖为主要组成的新型电活性聚合物材料及其制备方 法。该电活性材料既兼具了电子型与离子型两种电活聚合物性材料的优点，同时又具有原 料来源广泛、成本低、加工工艺简单、环境可降解等优点。本发明采用下述技术方案实现(1)将纤维素和壳聚糖以一定重量比混合后加入溶剂三氟乙酸，在室温下溶解； (2)将溶解完全的混合溶液浇注成膜，在室温下彻底干燥；(3)将干燥后的膜放入到含一定 浓度的戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍一定时间；(4)取出后将膜放入到含一定浓度 的氢氧化钠溶液，室温下浸泡一定时间；(5)取出后用去离子水反复冲洗；(6)再将膜放入 到含一定浓度的氯化氢溶液，室温下浸泡一定时间；(7)取出后用去离子水冲洗净表面，室 温下彻底干燥；(8)在真空条件下对膜表面进行镀电极。本发明的有益效果是1.以纤维素和壳聚糖为基材，制备出了一种新型的电活性聚合物材料，该电活性 材料兼具了电子型与离子型两种电活性聚合物材料的优点。2.纤维素和壳聚糖是地球上分布最广、年产量最大的天然生物源高分子材料，每 年都有上百亿吨生产出来，是真正的可持续的、不可消耗的天然原料。3.纤维素和壳聚糖是天然材料，对环境不会造成任何影响，是一种无公害、且具有 环保优点的新型电活性材料。
图1电活性聚合物材料的结构示意图(1，基材；2，电极)；图2电活性 聚合物材料的电致响应形变曲线(电压t:3V;_ :4V；· :5V； A :6V ； :7V)(测试条件 为环境温度25°C ；环境湿度30%相对湿度)；图3电活性聚合物材料的工作寿命曲线 (测试条件为25°C ；环境湿度30%相对湿度；电压5V，频率4Hz)具体实施方式
下面结合实施例对本发明作具体说明。实施例例1 首先将纸浆纤维素切成小段，和壳聚糖一起放在真空干燥箱内干燥24小时， 保证无残余水分；称取纸浆纤维素3. Og和壳聚糖2. 0g，混合后放入溶剂三氟乙酸100ml，密 封后室温静置7天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素和壳聚糖溶液，在四氟乙烯模型上 浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.05% (质量比)戊二醛 水溶液中，超声波震荡下浸渍3小时；取出后将膜放入含有0.1% (质量比)的氢氧化钠水 溶液中，室温下浸泡12小时；然后用3000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0. 1% (质量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡6小时；膜取出后用IOOml的去离子水冲洗净表 面，在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4X104Pa)对膜表面 镀金电极，电极厚度小于lOOnm。例2 首先将纸浆纤维素切成小段，在真空干燥箱内干燥24小时，保证无残余水 分；称取纸浆纤维素5. 0g，后放入溶剂二甲基甲酰胺IOOml和氯化锂9. 0g，密封后室温下搅 拌2天，然后升温至150°C下搅拌3天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素溶液，在四氟乙烯模型上浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0. 1 % (质量比) 戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍2小时；取出后将膜放入含有0.05% (质量比)的氢 氧化钠水溶液中，室温下浸泡12小时；然后用5000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到 含0.05% (质量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡10小时；膜取出后用200ml的去离子 水冲洗净表面，在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4X104Pa) 对膜表面镀铜电极，电极厚度小于lOOnm。例3 首先将纸浆纤维素切成小段，和壳聚糖一起放在真空干燥箱内干燥24小时， 保证无残余水分；称取纸浆纤维素4. Og和壳聚糖l.Og，混合后放入溶剂三氟乙酸100ml，密 封后室温静置7天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素和壳聚糖溶液，在四氟乙烯模型上 浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.1% (质量比)戊二醛水 溶液中，超声波震荡下浸渍2小时；取出后将膜放入含有0.1% (质量比)的氢氧化钠水溶 液中，室温下浸泡8小时；然后用4000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0. 15% (质 量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡6小时；膜取出后用200ml的去离子水冲洗净表面， 在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4X IO4Pa)对膜表面镀金 电极，电极厚度小于lOOnm。例4 首先将纸浆纤维素切成小段，和壳聚糖一起放在真空干燥箱内干燥24小时， 保证无残余水分；称取纸浆纤维素1. Og和壳聚糖4. 0g，混合后放入溶剂三氟乙酸100ml，密 封后室温静置7天；离心分离，得到完全溶解的浆纤维素和壳聚糖溶液，在四氟乙烯模型上 浇注成膜；室温下自然干燥2天后，将干燥后的膜放入200ml含0.2% (质量比)戊二醛水 溶液中，超声波震荡下浸渍2小时；取出后将膜放入含有0.5% (质量比)的氢氧化钠水溶 液中，室温下浸泡10小时；然后用5000ml的去离子水反复冲洗，再将膜放入到含0. 2% (质 量比)的氯化氢水溶液中，室温下浸泡10小时；膜取出后用200ml的去离子水冲洗净表面， 在四氟乙烯板上摊平，室温下自然干燥2天；在真空条件下(小于4X IO4Pa)对膜表面镀钼 电极，电极厚度小于lOOnm。
权利要求
1.一种新型电活性聚合物材料的制备方法包括以下步骤(1)将纤维素和壳聚糖以一定重量比混合后加入溶剂三氟乙酸，在室温下溶解；(2)将 溶解完全的混合溶液浇注成膜，在室温下彻底干燥；C3)将干燥后的膜放入到含一定浓度 的戊二醛水溶液中，超声波震荡下浸渍一定时间；(4)取出后将膜放入到含一定浓度的氢 氧化钠溶液，室温下浸泡一定时间；( 取出后用去离子水反复冲洗；(6)再将膜放入到含 一定浓度的氯化氢溶液，室温下浸泡一定时间；(7)取出后用去离子水冲洗净表面，室温下 彻底干燥；(8)在真空条件下对膜表面进行镀电极。
2.根据权利要求1所述的制备的新型电活性聚合物材料，其特征是所述的基材是纤 维素和壳聚糖，该电活性材料兼具了电子型与离子型两种电活性材料的优点。
全文摘要
一种电活性聚合物材料及其制备方法。本发明涉及一种以纤维素和壳聚糖为基材的新型电活性聚合物材料及其制备方法，该电活性材料既兼具了电子型与离子型两种电活性材料的优点，同时又具有原料来源广泛、成本低、加工工艺简单、环境可降解等优点。本发明采用下述技术方案实现将纤维素和壳聚糖以一定重量比混合后加入溶剂三氟乙酸，室温下溶解；将溶解完全的混合溶液浇注成膜，室温下干燥；将膜在戊二醛水溶液中交联；取出后在氢氧化钠溶液和氯化氢溶液中处理；最后在真空条件下对膜表面进行镀电极。
文档编号C08J7/12GK102079818SQ20101057715
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者杨光, 蔡志江, 钱晓明 申请人:天津工业大学