电渗泵和具有该电渗泵的流体泵送系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明描述的各种实施方式总体设及采用改进的电极的电渗累，W及使用该电渗 累的流体累送系统。
【背景技术】
[0002] 电渗累是利用电渗造成流体移动的累，该电渗在电压被施加到设置在毛细管或多 孔膜的相反的两端的电极时就会发生。
[0003] 通常，具有较高的稳定性的销已被广泛地用作所述电极的材料。最近，为了稳定地 驱动电渗累且没有伴随气体产生，银(Ag)、氧化银(Ag0)、Mn0(0H)、聚苯胺(PANI)等被用作 电极的材料。
[0004] 在用作电极的材料中，导电性聚合物（如聚苯胺)一般是通过聚合反应合成的，由 此单体被电化学氧化或化学氧化。由于在聚合反应过程中聚合物链内正电荷的量持续增 加，因此需要将带负电荷的离子添加到聚合物链W使聚合反应能持续进行。
[0005] 在合成导电性聚合物的最普遍的方法中，单体(如苯胺、化咯或嚷吩)通过使用氧 化剂在硝酸化M)3)或盐酸化Cl)溶液中被电化学氧化或化学氧化。导电性聚合物的合成随 着存在于溶液中的阴离子（负离子）（例如，M)3-、cr、或类似物)持续加入聚合物链中而进 行。即，由于所生成的聚合物链本身是带正电的，因此，随着阴离子持续加入到聚合物链中 而合成导电性聚合物，从而建立电荷平衡。
[0006] 在运点上，日本专利特开公布No. 2001-240730 (名称为"导电聚嚷吩"）公开了一种 聚嚷吩，其渗杂有分子阴离子，如双(全氣烧控横酷基)酷亚胺。
[0007] 如果对含有如上所述制备的导电性聚合物的（+ )电极和(-)电极中的每一个施加 电压，则在整个聚合物基质中都会发生氧化还原反应，从而会打破电荷平衡。因此，为了再 次平衡电荷，具有高迁移率的离子移动到导电性聚合物中。举例而言，如果聚苯胺(PANI)在 硝酸化N03)溶液中合成，就会产生含有分子阴离子N03^的聚合物。如果翠绿亚胺盐形式的聚 苯胺(PANI)(参照下述反应式1)含有运种小分子阴离子，则在聚合物链中的正(+ )电荷就会 消失。因此，为了建立电荷平衡，阴离子N03^-加入到聚合物链(在下面反应式1中为A^)中就 会从该聚合物链出来。结果，聚苯胺（PANI)被转换成完全还原态聚苯胺碱（a Ieucoemeraldine base)的形式并成为中性聚合物链。
[000引[反应式1]
[0009]
[0010] 如上所述，在氧化还原反应中，聚合物链中产生的用于在所述电极中的任一个包 含的导电性聚合物的电荷平衡的阴离子移动W建立另一电极的导电性聚合物的电荷平衡。 如果运样的离子移动速度慢，则电极的氧化还原反应就可能不能顺利发生。
[0011] 当电极反应在几乎不含有电解质的溶液中发生，移入一个电极的导电性聚合物中 的小阴离子(N〇3\cr或类似离子)就很难在移出该电极的导电性聚合物后混合到另一个电 极的导电性聚合物中。由于电渗累主要在含有低浓度电解质的溶液中工作，所W如果使用 含有具有高迁移率的阴离子的材料作为电极，那么就很难指望电极反应持续进行。结果是， 电渗累的性能会急剧下降。
[0012] 此外，一般来说，二氧化娃、玻璃、或类似物被用作包含在电渗累中的多孔膜的材 料。在水溶液中由运些材料制成的多孔膜的表面带负电荷。运里，在电极的上述氧化还原反 应过程中，从导电性聚合物出来的阴离子会穿过多孔膜而在电极之间移动。然而，由于多孔 膜的表面带负电，所W在阴离子和多孔膜之间就会产生排斥力，使得阴离子难W流动穿过 多孔膜。因此，电极的氧化还原反应不会顺利发生，从而导致电渗累性能的退化。
[0013] 同时，作为电极的基本结构之一，存在一种已知结构，其中如上所述的电极材料 (例如，银(Ag)、氧化银(AgO)、Mn0(0H)、聚苯胺等)被电沉积在碳纸上。通常，通过使用运种 结构，经由电沉积在电极上的材料发生的氧化还原反应使流体移动，从而产生累送力。
[0014] 在运方面，国际专利公开公布No. W02011-112723(名称为"ELECTRO-OSMOTIC PUMPS, SYSTEMS ,MET册DS ,AND COMPOSITIONS")描述了包括电极的电渗累，在运些电极上分 别电沉积了银(Ag)和氧化银(Ago)。
[0015] 然而，在使用传统电极的情况下，由于需要将其它材料电沉积在碳纸上的工艺，因 此制备电渗累的整个工艺已被复杂化了。
【发明内容】
本发明所要解决的问题
[0016] 本发明的示例性实施方式提供了包括电极的电渗累，在该电极中，电化学反应顺 利地发生，该电渗累的制造工艺并不复杂，并且还提供了使用该电渗累的流体累送系统。 然而，通过本发明要解决的问题不限于上述的说明，并且本领域的技术人员可W通过 W下描述清楚地理解其它问题。 解决问题所采取的方案
[0017] 根据本发明的示例性实施方式，提供了一种电渗累。该电渗累可包括:让流体能移 动穿过的膜;分别设置在膜的相反的两侧的第一电极和第二电极，每一个电极都是由多孔 材料制成或具有多孔结构，W使流体能移动穿过。运里，第一电极和第二电极中的每个可W 包含导电性聚合物，在该导电性聚合物中包含阴离子性聚合物，并且当阳离子按一定方向 移动时，所述第一电极和第二电极可发生电化学反应，由此建立起电荷平衡。
[0018] 根据运里公开的另一示例性实施方式，提供了一种流体累送系统。该系统可W包 括:根据本发明的示例性实施方式所述的电渗累，和设置在电渗累的至少一个端部并且被 配置成将所述流体与传送目标流体隔开的分离构件。
[0019] 根据本发明的又一示例性实施方式，提供了一种电渗累。该电渗累可包括:让流体 能移动穿过的膜;在膜的相反的两侧分别设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电 极中的每一个都是由多孔材料制成的或具有多孔结构，W使得流体能移动穿过。运里，第一 电极和第二电极中的每一个可仅由多孔碳制成，并且所述第一电极和第二电极的电化学反 应可W通过多孔碳本身的电化学反应发生。
[0020] 根据本发明的又一示例性实施方式，提供了一种流体累送系统。该系统可W包括： 根据本发明的又一示例性实施方式所述的电渗累;和设置在电渗累中至少一个端部并且被 配置成将流体与传送目标流体隔开的分离构件。 发明效果
[0021] 根据示例性实施方式，其中混合有阴离子性聚合物的导电性聚合物用作第一电极 的材料和所述第二电极的材料，并且在第一和第二电极的电化学反应期间，阳离子(正离 子)移动。相应地，运些电极的电化学反应的速度可W提高，从而使得电渗累的性能得W改 善。
[0022] 此外，根据示例性实施方式，第一电极和第二电极仅由多孔碳制成，并且通过多孔 碳本身的电化学反应产生累送力。因此，在运些电极上电沉积另一种材料的工艺是没必要 的，并且，因此，可W简单地生产电渗累。
【附图说明】
[0023] 图1是根据第一示例性实施方式的电渗累的结构图。
[0024] 图2是用于描述根据第一示例性实施方式的电渗累运行的简图。
[0025] 图3A是用于描述根据第一示例性实施方式的电渗累的可逆电极反应的简图。
[0026] 图3B是用于描述根据第一示例性实施方式的电渗累的可逆电极反应的简图。
[0027] 图4是根据第一示例性实施方式的电渗累的分解透视图。
[0028] 图5是根据第一示例性实施方式的电渗累的横截面图。
[0029] 图6是根据第一示例性实施方式的流体累送系统的结构图。
[0030] 图7A是表示电渗累在使用含有PANI-WV的电极的相应情况下和使用包含PANI-PSS^的电极的电渗累的电流变化的比较曲线图。
[0031] 图7B是显示电渗累在分别使用含有PANI-NCV的电极和PANI-PSS^勺电极时的流率 的比较曲线图。
[0032] 图8A是对应于使用含有PANI-MV的电极的电渗累的可逆反应的电流响应曲线图。
[0033] 图8B是对应于使用含有PANI-PSS^勺电极的电渗累的可逆反应的电流响应曲线 图。
[0034] 图9是显示包括使用含有PANI-PSS-的电极的电渗累的流体累送系统的寿命的曲 线图。
[0035] 图10是对应于使用含有PANI-SCk2^勺电极的电渗累的可逆反应的电流响应曲线 图。
[0036] 图11是对应于使用含有PEDOT-PSS^勺电极的电渗累的可逆反应的电流响应曲线 图。
[0037] 图12A是对应于使用含有PANI-PSS-CNT电极的电渗累的可逆反应的电流响应曲线 图。
[003引图12B是显示使用PANI-PSS-CNT电极的电渗累的流率的曲线图。
[0039] 图13是根据第二示例性实施方式的电渗累的结构图。
[0040] 图14是用于描述根据第二示例性实施方式所述的电渗累的操作的简图。
[0041] 图15A是用于描述根据第二示例性实施方式所述的电渗累的可逆电极反应的简 图。
[0042] 图15B是用于描述根据第二示例性实施方式所述的电渗累的可逆电极反应的简 图。
[0043] 图16是根据第二示例性实施方式所述的电渗累的分解透视图。
[0044] 图17是根据第二示例性实施方式所述的电渗累的横截面图。
[0045] 图18是根据第二示例性实施方式所述的流体累送系统的结构图。
[0046] 图19是使用碳纸作为电极而对碳纸不执行额外的处理的电渗累的电流响应曲线 图。
[0047] 图20是使用经等离子体处理的碳纸作为电极的电渗累的电流响应曲线图。
[0048] 图21A是使用碳纸作为电极的电渗累的电流响应曲线图，其中在硫酸和硝酸(按1: 1的比例）的溶液中处理该碳纸。
[0049] 图21B是使用碳纸作为电极的电渗累的流率的曲线图，其中在硫酸和硝酸（按1:1 的比例）的溶液中处理该碳纸。
【具体实施方式】
[0050] 下文中，将对示例性的实施方式进行详细描述，使得本领域技术人员能容易地实 施发明构思。然而，应当注意本公开不限于运些示例性实施方式和实施例，而是可W多种其 它方式实现。在附图中，省略了与说明不直接相关的部件W提高附图的清晰度，并且在整个 文档中相同的附图标记表示相同的部件。
[0051] 在本公开的整个文档中，用于指示一个元件相对于另一个元件的位置的术语 "在……上"包括一个元件邻近另一个元件的情况和任何其它元件存在于运两个元件之间 的情况两者。
[0052] 在本公开的整个文档中，用于本文档中的术语"包含或包括"和/或"含有或包含 有"是指除非上下文另外指示，否则除了所述的组件、步骤、操作和/或元件之外，不排除一 个或多个其它的组件、步骤、操作和/或现有或添加的元件。此外，在整个文档中，术语"约或 大约"或"基本上"意指具有接近数值或由可允许的误差规定的范围的含义并且意在防止为 理解本公开而公开的精确的或绝对的数值被任何不合理的第=方非法地或不公平地使用。 在整个文档中，术语"……的步骤"不是指"用于……的步骤"。
[0053] 在本公开的整个文档中，马库什(Markush)型说明中所包含的术语"……的组合" 是指选自由W马库什型描述的组件、步骤、操作和/或元件组成的群组中的一个或多个组 件、步骤、操作和/或元件的混合或组合，从而意指本公开包括选自马库什组中的一个或多 个组件、步骤、操作和/或元件。
[0054] 下文中，本公开的示例性实施方式将参考形成本说明书的一部分的附图详细地描 述。
[0055] [包括导电性聚合物电极与流体累送系统的电渗累]
[0056] 首先，将讨论根据第一示例性实施方式的电渗累10。
[0057] 图1是根据第一示例性实施方式的电渗累10的结构图。
[0058] 该电渗累10包括:膜11;和分别设置在膜11的相反的两侧的第一电极13和第二电 极15。第一电极13和第二电极15被连接到电源单元17。
[0059] 膜11被设置在流体路径19中，流体移动通过流体路径19。膜11由多孔材料制成或 具有多孔结构W允许流体移动穿过。
[0060] 第一电极13和第二电极15设置在流体路径19上的膜的相反的两侧。第一电极13和 第二电极15中的每一个含有导电性聚合物，该导电性聚合物混合有阴离子性聚合物。第一 电极13和第二电极15被W规则的间隔彼此保持隔开，其中膜11介于两者之间。类似膜11，第 一电极13和第二电极15各自也由多孔材料制成或具有多孔结构，W允许流体流过。
[0061] 电源单元17被连接到第一电极13和第二电极15,并且被构造成提供电力到第一电 极13和第二电极15,使得电化学反应可W发生。当阳离子(正离子)移动时，第一电极13和第 二电极15的电化学反应发生。
[0062] 详而言之，电源单元17被配置成为提供电压到第一电极13和第二电极15,同时交 替地反转电压的极性。运里，术语"提供电压同时交替地反转电压的极性"意指交替地沿反 向方向提供电流。
[0063] 因此