離子聚合物金屬復合材料的制備及其電形變性能研究.pdf

1、離子聚合物金屬復合材料(Ionic Polymer-Metal Composite，IPMC)是一種新型智能材料，在較低電場的作用下能夠發(fā)生形變，由其構(gòu)成的致動器具有致動方式簡單、效率高、致動電壓低、操作安全及重量輕等優(yōu)點。IPMC在軟性機械致動器、應(yīng)力傳感器、人工肌肉、生物醫(yī)用和仿生材料等方面有廣泛的應(yīng)用前景。本課題從材料研究的角度出發(fā)，以乙烯-乙烯醇共聚物 (EVOH)的主鏈為骨架，并利用其側(cè)鏈活性羥基與 1，3-磺酸丙內(nèi)酯進行磺化

2、反應(yīng)，從而得到側(cè)鏈接枝磺酸丙基的離子聚合物(EVOH-g-SO<,3>H)，然后利用戊二醛為交聯(lián)劑對EVOH-g-SO<,3>H進行交聯(lián)改性，并通過溶液鑄膜法制備出了EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜。最后以EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜為聚合物基體，采用化學還原工藝得到了聚合物膜兩側(cè)為Ag金屬電極的IPMC。 論文中，首先對EVOH-g-SO<,3>H和EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜的制備進行了研究。討論了磺化反應(yīng)和交

3、聯(lián)反應(yīng)機理，對EVOH-g-SO<,3>H和EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜的制備工藝、及其化學結(jié)構(gòu)和熱學性質(zhì)進行了研究分析；利用電子顯微鏡和原子力顯微鏡對EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜的表面形貌和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)進行了表征分析，并對EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜的吸水性、離子交換能力、結(jié)晶性及力學性能等物理性能進行了研究。結(jié)果表明，EVOH中的羥基與1，3-磺酸丙內(nèi)酯的摩爾配比r<,s>≤1：O.6的EVOH-g-SO<,3>H交

4、聯(lián)膜適于作為IPMC的基體膜；由原子力顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜中存在離子團簇結(jié)構(gòu)，離子團簇的大小約為20～70nm。另外，吸水性和離子交換能力均隨著磺化度的增大而提高，交聯(lián)程度越高膜的拉伸強度越大。 其次，討論了IPMC的制備工藝和機理，利用電子顯微鏡對IPMC的表面和斷面電極形貌進行了表征。由IPMC的電鏡照片發(fā)現(xiàn)，EVOH-g-S03H交聯(lián)膜兩側(cè)形成了厚度約為20gm的Ag金屬電極層，且經(jīng)二次、三次

5、化學還原后IPMC電極層的致密性和平整性比一次化學還原要高。 最后，從磺化度、失水速率、電壓等影響因素討論了IPMC的電形變性能，并以懸臂梁模型為基礎(chǔ)推導出了IPMC形變應(yīng)力計算公式。研究發(fā)現(xiàn)，磺化度越高，IPMC的頂點最大位移越大；通過在IPMC表面涂一層油脂作為保護層可以有效的阻止水分失去，從而提高IPMC的頂點形變位移和連續(xù)形變次數(shù)等電形變性能；IPMC的負載電壓越高形變量越大，IPMC的負載電壓的頻率越高形變量越小，電壓

6、低于3V時IPMC形變的重復性較高，高于 3V 時變形增大趨緩，且隨著重復次數(shù)增加變形越來越小。在 3V 方波電壓下，隨著頻率的提高，形變衰減顯著加快。當頻率為1．OHz時，連續(xù)形變30次左右后形變不再發(fā)生，而頻率降到O．5Hz時，連續(xù)形變約50次后形變不再發(fā)生。當施加電壓為6V時，IPMC的形變應(yīng)力可達4．56MPa。本文的研究結(jié)果表明，非氟主鏈離子聚合物EVOH-g-SO<,3>H交聯(lián)膜為基體的IPMC具有電形變性能，是一種新型的I