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      電活性聚合物國(guó)內(nèi)外綜述

      2020-06-22 07:02:41李函
      關(guān)鍵詞:致動(dòng)器

      【摘 要】研制出輕巧微型,靈活的驅(qū)動(dòng)設(shè)備成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì),電致動(dòng)器在這樣的大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。本文在電活性聚合物分類(lèi)的基礎(chǔ)上說(shuō)明了電致動(dòng)器致動(dòng)機(jī)理,并詳細(xì)概述了不同材料的性能差異與改進(jìn)方式。

      【關(guān)鍵詞】致動(dòng)器;電活性聚合物;離子型電活性聚合物

      一、引言

      電活性聚合物(EAP)是一種在電場(chǎng)刺激下能發(fā)生尺寸或形狀變化的智能材料。在20世紀(jì)90年代后期,已經(jīng)證明一些電活性聚合物可以表現(xiàn)出高達(dá)380%的應(yīng)變,這樣的響應(yīng)效果優(yōu)于任何傳統(tǒng)的陶瓷致動(dòng)器。

      二、電活性聚合物分類(lèi)

      電活性聚合物根據(jù)其活化機(jī)理的不同可分為離子型和電子型兩大類(lèi)[1]。電子EAP可以在高壓電場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出彎曲形態(tài)。然而,電子EAP要求的初始電壓極高,甚至達(dá)到擊穿電壓。離子EAP是一種涉及離子遷移或擴(kuò)散的材料。離子EAP的活化可通過(guò)低至1-2伏特的電壓進(jìn)行,并且產(chǎn)生較大的位移。

      三、電子型電活性聚合物

      電子型電活性聚合物可細(xì)分為全有機(jī)復(fù)合材料、介電電活性聚合物、電致伸縮接枝彈性體、電致伸縮薄膜、電致粘彈性聚合物、鐵電聚合物以及液晶彈性體。其中介電彈性體近年受到廣泛關(guān)注因其具有柔軟且損耗小的特點(diǎn)。

      四、離子型電活性聚合物

      1.離子聚合物凝膠

      水凝膠是指一類(lèi)有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型材料[2],常作為支撐材料應(yīng)用于電致動(dòng)器中。水凝膠按照來(lái)源及成分可分為合成水凝膠和純天然高分子水凝膠,在此主要介紹純天然高分子水凝膠。

      純天然高分子水凝膠與合成水凝膠相比具有來(lái)源廣泛的優(yōu)點(diǎn),在電致動(dòng)器領(lǐng)域廣為應(yīng)用。殼聚糖作為純天然高分子水凝膠在近幾年的研究中備受青睞。殼聚糖是一種天然聚合物,具有原料來(lái)源豐富,成本低廉,良好的生物降解性和生物相容性等特性[3]。

      殼聚糖在作為支撐材料應(yīng)用于電致動(dòng)器時(shí)存在輸出力性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象,我們需要添加交聯(lián)劑增強(qiáng)殼聚糖的性能。在過(guò)去的研究中發(fā)現(xiàn)戊二醛可以作為交聯(lián)劑[4],但戊二醛是一種有毒物質(zhì)。部分學(xué)者基于這種情況提出了使用碳納米管(CNT)替代戊二醛作為交聯(lián)劑[5],并且發(fā)現(xiàn)使用碳納米管修飾殼聚糖可以增強(qiáng)電致動(dòng)器的電導(dǎo)率和機(jī)械性能[6]。

      2.離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)

      IPMC是一種重要的離子型聚合物材料,在20世紀(jì)90年代初期被發(fā)現(xiàn)[7]。它的驅(qū)動(dòng)機(jī)理是在電場(chǎng)作用下水合陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)造成陰極的擴(kuò)大和陽(yáng)極的收縮在宏觀(guān)上表現(xiàn)出彎曲的形態(tài)[8]。

      典型的IPMC由一層離子聚合物膜和兩層金屬?gòu)?fù)合膜組成,金屬?gòu)?fù)合膜在離子聚合物膜的兩面由貴金屬(如金和鉑)化學(xué)鍍制成。離子聚合物可以分為氟化離子聚合物,非氟化離子聚合物,磷酸摻雜離子聚合物其中氟化離子聚合物的使用較為普遍。

      IPMC需要的激活電壓低,彎曲變形大,在干濕條件下均可工作。因其具有這些特性,過(guò)去的許多年中IPMC在仿生機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用[9]。

      傳統(tǒng)的IPMC使用金或鉑作為表面電極,價(jià)格十分昂貴,為了降低成本部分學(xué)者提出使用基于化學(xué)沉積法的鍍銀方法得到新型IPMC[10]。當(dāng)IPMC被機(jī)械彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生跨膜輸出電壓,因此也可以被應(yīng)用于傳感器,執(zhí)行器。

      3.導(dǎo)電聚合物

      1987年人們首次證明了導(dǎo)電聚合物可以作為人工肌肉應(yīng)用[11]。這類(lèi)電致動(dòng)器在通電的情況下伴隨著陽(yáng)離子的插入或陰離子的移除,造成體積的增大或減小,導(dǎo)致形態(tài)彎曲。

      這類(lèi)致動(dòng)器有不同的結(jié)構(gòu),彎曲三層結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)并且最容易制備的,三層執(zhí)行器通常是由兩個(gè)聚合物層和一個(gè)被動(dòng)層組成的“三明治”結(jié)構(gòu)[12]。最常用的聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩衍生物。

      合成條件對(duì)導(dǎo)電聚合物的性能影響極高,拿聚吡咯來(lái)說(shuō),一般合成吡咯的方法有電化學(xué)合成和電沉積合成。相比較來(lái)說(shuō)電化學(xué)合成聚吡咯的導(dǎo)電率最高,力學(xué)性能最好。同時(shí)也是最容易獲得的方法。

      五、應(yīng)用與展望

      離子型電活性聚合物電致動(dòng)器在過(guò)去的研究中已經(jīng)取得了極為可觀(guān)的成就,不過(guò)響應(yīng)速率低,使用壽命短,響應(yīng)不可逆仍然是其面臨的問(wèn)題,超越原有的機(jī)械型致動(dòng)器仍然是一個(gè)夢(mèng)想。我們相信離子型EAP材料做電致動(dòng)器仍具有無(wú)限的潛力與極大的空間等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

      參考文獻(xiàn):

      [1]田素坤. 聚吡咯導(dǎo)電聚合物驅(qū)動(dòng)器力學(xué)性能分析[D]. 南華大學(xué),2016.

      [2]陳麗如. 殼聚糖/聚乙烯醇溫敏性水凝膠給藥系統(tǒng)的研究[D]. 河北大學(xué),2011.

      [3]袁玥,錢(qián)本祥,凌新龍. 殼聚糖的改性研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2019,36(03):81-88.

      [4]Shang J,Shao Z,Chen X. Chitosan-based electroactive hydrogel[J]. Polymer,2008,49(25):5520-5525.

      [5]Electroactive materials:Polymer pincers[J]. NPG Asia Materials,2011.

      [6]Zhao G,Yang J,Wang Y,et al. Preparation and electromechanical properties of the chitosan gel polymer actuator based on heat treating[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2018,279:481-492.

      [7]Oguro K. Bending of an ion-conducting polymer film-electrode composite by an electric stimulus at low voltage[J]. J. Micromachine Society,1992,5:27-30.

      [8]宋丹. IPMC力電耦合關(guān)系中的分布式等效電路模型研究[D]. 南京航空航天大學(xué),2017.

      [9]Nakabo Y,Mukai T,Asaka K. Biomimetic soft robots using IPMC[M]//Electroactive Polymers for Robotic Applications. Springer,2007:165-198.

      [10]陳騏. Ag 基 IPMC 柔性驅(qū)動(dòng)器的制備及控制特性研究[D]. 南京航空航天大學(xué),2009.

      [11]黃美榮,李新貴. 導(dǎo)電聚合物的電化學(xué)機(jī)械性能及其致動(dòng)器[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(02):304-307.

      [12]Punning A,Kim K J,Palmre V,et al. Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications[J]. Scientific Reports,2014,4(1).

      作者簡(jiǎn)介:

      李函(2000-),女,黑龍江省黑河市人,在讀本科生,專(zhuān)業(yè)為食品科學(xué)與工程。

      (作者單位:哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院)

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