一种全氟磺酸人工肌肉的制备方法与流程

本发明涉及新型智能材料技术领域，特别涉及一种全氟磺酸人工肌肉的制备方法。

背景技术：

人工肌肉是一种具有驱动性能的新型材料，目前发展较早的人工肌肉有气动型人工肌肉和液压型人工肌肉，这两种人工肌肉通过充入或抽出气体或液体从而产生较大的驱动力，然而，这两种人工肌肉均需要体积较大的负载，如气泵、液泵等，这极大影响了人工肌肉在轻便、易于安装等方面的需求，限制了人工肌肉的实际应用。

近十余年来，一系列智能材料的诞生，为人工肌肉的研究提供了新的发展契机。智能材料是指材料在受到外界刺激(如光、热、力、电、磁等)下可以产生变化的材料，这些变化包括材料形状的变化、颜色的变化等。其中，电活性聚合物作为智能材料的一种，可以在电刺激下呈现各种复杂的形变，例如，弯曲、延伸、扭动、收缩等，并且它们具有较好的生物相容性，非常接近真正的肌肉纤维，因此在人工肌肉上有较大的应用前景。

电活性聚合物分为电子型电活性聚合物和离子型电活性聚合物。其中，电子型电活性聚合物需要在较高(约几千伏)的电压下才能产生形变，具有安全隐患，因此不适合应用于人工肌肉中。离子型电活性聚合物是由两个电极和离子交换膜组成的，在较低的电压下，离子迁移或分散作用即可以诱导材料发生弯曲形变。其中，离子聚合物-金属复合物(ipmc)在较低的驱动电压下即能产生较大的位移变形，而且其能量密度高、质量轻便、容易加工剪裁，因此非常适用于人工肌肉的开发。全氟磺酸(nafion)离子交换膜是一类典型的ipmc，当对nafion膜施加电压时，膜内的阳离子会向阴极移动，同时带动水分子向阴极移动，使阴极溶胀且阳极缩水，薄膜产生向阳极弯曲的变形。

目前，基于nafion膜的人工肌肉材料需要涉及到复杂的电镀或化学镀制备金属电极的过程，成本高且耗时，这严重阻碍了nafion人工肌肉的应用和发展。为了降低nafion人工肌肉的制备成本，缩短制备时间，本发明采用刷涂导电胶的方法，在nafion离子交换膜表面制备了致密的电极，且在较低的工作电压下nafion人工肌肉就可以产生较大的弯曲形变，最快响应时间小于0.1秒。

技术实现要素：

本发明的研究目的在于降低nafion人工肌肉的制备成本，缩短制备时间，而提供一种全氟磺酸人工肌肉的制备方法。本发明是一种刷涂电极的方法，选择廉价的导电银胶和导电碳胶，制备出一种高性能全氟磺酸人工肌肉。

本发明提供的一种全氟磺酸人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：

一、nafion膜的前处理过程

选用商业化的nafion离子交换膜，即杜邦公司生产的nafion117薄膜(厚度190微米)，将其裁剪成长50mm，宽20mm的长方形；

将透明的nafion膜浸泡在50ml质量分数为5％的过氧化氢水溶液中4小时，然后将nafion膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时，然后，将nafion薄膜浸泡在50ml质量分数为5％的硫酸溶液中4小时，然后将nafion膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时；

经过前处理后，nafion薄膜充分地吸水溶胀，并呈现出柔软的透明状；

二、电极的制备过程

选用美国spi公司生产的导电银胶和导电碳胶，通过刷涂电极的方法在nafion膜表面制备银电极或碳电极；

1、银电极

将已进行前处理的nafion膜置于60℃的真空干燥箱中2小时，除去nafion膜表面的水分子，将nafion膜置于两块玻璃板中，将其压平；

将spi导电银胶摇晃均匀后，用平头毛刷蘸取少量导电银胶后，均匀刷涂于nafion膜的表面，待10分钟导电银胶固化后，再次用毛刷均匀刷涂第二层导电银胶，等待10分钟待其完全固化。

利用上述方法，在nafion膜另一侧的表面刷涂导电银胶作为银电极，并待其完全固化；

2、碳电极

将已进行前处理的nafion膜置于60℃的真空干燥箱中2小时，除去nafion膜表面的水分子，将nafion膜置于两块玻璃板中，将其压平；

将spi导电碳胶摇晃均匀后，用平头毛刷蘸取少量导电碳胶后，均匀刷涂于nafion膜的表面，待20分钟导电碳胶固化后，再次用毛刷均匀刷涂第二层导电碳胶，等待20分钟待其完全固化，最后再次用毛刷均匀刷涂第三层导电碳胶，等待20分钟待其完全固化；

利用上述方法，在nafion膜另一侧的表面刷涂导电碳胶作为碳电极，并待其完全固化；

3、nafion膜的离子交换过程

将刷有电极的nafion膜置于80℃的真空干燥箱中进行干燥2小时，除去膜内的水分子；然后将nafion膜浸泡在去离子水中充分吸水溶胀，最后将nafion膜浸泡在饱和的氯化锂水溶液中24小时，进行充分的锂离子交换，使nafion离子交换膜内充分置换入正一价的锂离子；

本发明所制备的全氟磺酸人工肌肉，是以全氟磺酸离子交换膜为基体，通过成本低廉的刷涂电极的方法在nafion膜表面制备均匀的电极，本发明所制备的全氟磺酸人工肌肉，在2v的电压下即能产生明显的弯曲形变；在8v电压下，全氟磺酸人工肌肉尖端最大的变形角度可达50°，将全氟磺酸人工肌肉组装成机械手，在8v电压下可抓起自重20倍的重物，该全氟磺酸人工肌肉在机器人驱动器、传感器、人造肌肉假肢等领域有着广阔的应用前景和应用价值。

本发明的有益效果：

本发明提供的全氟磺酸人工肌肉材料，以商业化的nafion离子交换膜为基底，通过刷涂电极的方法，在nafion膜表面刷涂导电银胶或导电碳胶，并形成均匀、致密的电极，与传统的电镀和化学镀的方法相比，本发明提供的方法在保证全氟磺酸人工肌肉驱动性能的同时，将全氟磺酸人工肌肉的制备周期缩短了80％，成本降低了30％。

附图说明

图1是本发明基于银电极的全氟磺酸人工肌肉最大位移随电压的变化曲线。

图2是本发明基于银电极的全氟磺酸人工肌肉在0.1hz的不同工作电压下，膜尖端位移量随时间的变化曲线。

图3是本发明基于碳电极的全氟磺酸人工肌肉最大位移随电压的变化曲线。

图4是本发明基于碳电极的全氟磺酸人工肌肉在0.1hz的不同工作电压下，膜尖端位移量随时间的变化曲线。

图5是本发明全氟磺酸机械手抓取和放下物体的工作示意图。

具体实施方式

一种全氟磺酸人工肌肉的制备方法，实验所需材料包括：

nafion117薄膜(杜邦公司)，spi导电银胶(43wt％，10ml)，spi导电碳胶(40wt％，10ml)，去离子水500ml，过氧化氢(30wt％，20ml)，浓硫酸(98wt％，1ml)，氯化锂(纯度99％，10g)；

实例一

选用spi导电银胶作为电极的制备步骤如下：

一、nafion膜的前处理过程

选用商业化的nafion离子交换膜，即杜邦公司生产的nafion117薄膜(厚度190微米)，将其裁剪成长50mm，宽20mm的长方形。

将透明的nafion膜浸泡在50ml质量分数为5％的过氧化氢水溶液中4小时，然后将nafion膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时。之后，将nafion薄膜浸泡在50ml质量分数为5％的硫酸溶液中4小时，然后将nafion膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时。

经过前处理后，nafion薄膜充分地吸水溶胀，并呈现出柔软的透明状。

二、电极的制备过程

选用美国spi公司生产的导电银胶，通过刷涂电极的方法在nafion膜表面制备银电极；

1、将已进行前处理的nafion膜置于60℃的真空干燥箱中2小时，除去nafion膜表面的水分子，将nafion膜置于两块玻璃板中，将其压平；

2、将spi导电银胶摇晃均匀后，用平头毛刷蘸取少量导电银胶后，均匀刷涂于nafion膜的表面，待10分钟导电银胶固化后，再次用毛刷均匀刷涂第二层导电银胶，等待10分钟待其完全固化；

3、利用上述方法，在nafion膜另一侧的表面刷涂导电银胶作为银电极，并待其完全固化。

三、nafion膜的离子交换过程

将刷有银电极的nafion膜置于80℃的真空干燥箱中进行干燥2小时，除去膜内的水分子；然后将nafion膜浸泡在去离子水中充分吸水溶胀，最后将nafion膜浸泡在饱和的氯化锂水溶液中24小时，进行充分的锂离子交换，使nafion离子交换膜内充分置换入正一价的锂离子。

通过sem扫描电镜分析可得，全氟磺酸人工肌肉中间离子交换膜的厚度为190微米，两侧银电极的厚度为20微米，通过四探针法测试刷涂银电极的方块电阻，约为100ω/□，其电阻较低，导电性良好；

利用函数发生器将具有一定频率和一定偏压的方波信号施加在全氟磺酸人工肌肉两侧的银电极上，利用激光位移测试系统检测nafion膜尖端的位移。图1所示，展示了nafion膜在不同频率的电压下，膜尖端的最大位移量与施加电压大小的关系，由图可知，电压为0.1hz±10v时，nafion膜尖端的最大形变位移量可达到6.9mm，图2所示，展示了nafion膜在0.1hz的不同工作电压下，膜尖端位移量随时间的变化曲线，由图可知，nafion人工肌肉的形变具有优异的可重复性。

实例二

选用spi导电碳胶作为电极的制备步骤如下：

一、nafion膜的前处理过程

选用商业化的nafion离子交换膜，即杜邦公司生产的nafion117薄膜(厚度190微米)，将其裁剪成长50mm，宽20mm的长方形；

将透明的nafion膜浸泡在50ml质量分数为5％的过氧化氢水溶液中4小时，然后将nafion膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时。之后，将nafion薄膜浸泡在50ml质量分数为5％的硫酸溶液中4小时，然后将nafion膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时。

经过前处理后，nafion薄膜充分地吸水溶胀，并呈现出柔软的透明状。

二、电极的制备过程

选用美国spi公司生产的导电碳胶，通过刷涂电极的方法在nafion膜表面制备碳电极；

1、将已进行前处理的nafion膜置于60℃的真空干燥箱中2小时，除去nafion膜表面的水分子，将nafion膜置于两块玻璃板中，将其压平；

2、将spi导电碳胶摇晃均匀后，用平头毛刷蘸取少量导电碳胶后，均匀刷涂于nafion膜的表面，待20分钟导电碳胶固化后，再次用毛刷均匀刷涂第二层导电碳胶，等待20分钟待其完全固化，最后再次用毛刷均匀刷涂第三层导电碳胶，等待20分钟待其完全固化；

3、利用上述方法，在nafion膜另一侧的表面刷涂导电碳胶作为碳电极，并待其完全固化；

三、nafion膜的离子交换过程

将刷有碳电极的nafion膜置于80℃的真空干燥箱中进行干燥2小时，除去膜内的水分子，然后将nafion膜浸泡在去离子水中充分吸水溶胀，最后将nafion膜浸泡在饱和的氯化锂水溶液中24小时，进行充分的锂离子交换，使nafion离子交换膜内充分置换入正一价的锂离子；

通过sem扫描电镜分析可得，全氟磺酸人工肌肉中间离子交换膜的厚度为190微米，两侧碳电极的厚度为18微米，通过四探针法测试刷涂碳电极的方块电阻，约为1.2kω/□，其导电性能可以满足全氟磺酸人工肌肉的需求；

利用函数发生器将具有一定频率和一定偏压的方波信号施加在全氟磺酸人工肌肉两侧的碳电极上，利用激光位移测试系统检测nafion膜尖端的位移，图3所示，展示了nafion膜在不同频率的电压下，膜尖端的最大位移量与施加电压大小的关系，由图可知，电压为0.1hz±10v时，nafion膜尖端的最大形变位移量为4.8mm；图4所示，展示了nafion膜在0.1hz的不同工作电压下，膜尖端位移量随时间的变化曲线，由图可知，nafion人工肌肉的形变具有优异的可重复性。

实例三

由于刷涂银电极的全氟磺酸人工肌肉表现出更优异的变形行为，将3条银电极全氟磺酸人工肌肉组装成如图5所示的机械手，当电压开启或关闭时，机械手可以做出相应的抓取或放下物体的动作，在10v电压下，全氟磺酸机械手最大可以抓取8g的重物，重物的质量是全氟磺酸机械手自重的20倍。