离子聚合物金属复合材料的制备及其电形变性能研究

摘要

离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composite，IPMC)是一种新型智能材料，在较低电场的作用下能够发生形变，由其构成的致动器具有致动方式简单、效率高、致动电压低、操作安全及重量轻等优点。IPMC在软性机械致动器、应力传感器、人工肌肉、生物医用和仿生材料等方面有广泛的应用前景。本课题从材料研究的角度出发，以乙烯-乙烯醇共聚物 (EVOH)的主链为骨架，并利用其侧链活性羟基与 1，3-磺酸丙内酯进行磺化反应，从而得到侧链接枝磺酸丙基的离子聚合物(EVOH-g-SO<,3>H)，然后利用戊二醛为交联剂对EVOH-g-SO<,3>H进行交联改性，并通过溶液铸膜法制备出了EVOH-g-SO<,3>H交联膜。最后以EVOH-g-SO<,3>H交联膜为聚合物基体，采用化学还原工艺得到了聚合物膜两侧为Ag金属电极的IPMC。 论文中，首先对EVOH-g-SO<,3>H和EVOH-g-SO<,3>H交联膜的制备进行了研究。讨论了磺化反应和交联反应机理，对EVOH-g-SO<,3>H和EVOH-g-SO<,3>H交联膜的制备工艺、及其化学结构和热学性质进行了研究分析；利用电子显微镜和原子力显微镜对EVOH-g-SO<,3>H交联膜的表面形貌和凝聚态结构进行了表征分析，并对EVOH-g-SO<,3>H交联膜的吸水性、离子交换能力、结晶性及力学性能等物理性能进行了研究。结果表明，EVOH中的羟基与1，3-磺酸丙内酯的摩尔配比r<,s>≤1：O.6的EVOH-g-SO<,3>H交联膜适于作为IPMC的基体膜；由原子力显微镜研究发现，EVOH-g-SO<,3>H交联膜中存在离子团簇结构，离子团簇的大小约为20～70nm。另外，吸水性和离子交换能力均随着磺化度的增大而提高，交联程度越高膜的拉伸强度越大。 其次，讨论了IPMC的制备工艺和机理，利用电子显微镜对IPMC的表面和断面电极形貌进行了表征。由IPMC的电镜照片发现，EVOH-g-S03H交联膜两侧形成了厚度约为20gm的Ag金属电极层，且经二次、三次化学还原后IPMC电极层的致密性和平整性比一次化学还原要高。 最后，从磺化度、失水速率、电压等影响因素讨论了IPMC的电形变性能，并以悬臂梁模型为基础推导出了IPMC形变应力计算公式。研究发现，磺化度越高，IPMC的顶点最大位移越大；通过在IPMC表面涂一层油脂作为保护层可以有效的阻止水分失去，从而提高IPMC的顶点形变位移和连续形变次数等电形变性能；IPMC的负载电压越高形变量越大，IPMC的负载电压的频率越高形变量越小，电压低于3V时IPMC形变的重复性较高，高于 3V 时变形增大趋缓，且随着重复次数增加变形越来越小。在 3V 方波电压下，随着频率的提高，形变衰减显著加快。当频率为1．OHz时，连续形变30次左右后形变不再发生，而频率降到O．5Hz时，连续形变约50次后形变不再发生。当施加电压为6V时，IPMC的形变应力可达4．56MPa。本文的研究结果表明，非氟主链离子聚合物EVOH-g-SO<,3>H交联膜为基体的IPMC具有电形变性能，是一种新型的IPMC材料，但在基体薄膜制备和电形变性能指标的提高和表征手段等方面尚需更深入的研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1电活性聚合物

1.2离子聚合物金属复合材料

1.2.1 IPMC基体-离子聚合物薄膜

1.2.2 IPMC电极的制备

1.2.3 IPMC的电形变性能

1.2.4聚集态结构及其电形变机理

1.3 IPMC的发展及研究现状

1.4课题背景及研究目的与意义

1.5课题研究主要内容

第2章实验部分

2.1实验原料及仪器

2.1.1实验原料

2.1.2仪器设备

2.2 EVOH-g-SO3H的合成及表征

2.2.1 EVOH-g-SO3H的合成

2.2.2 EVOH-g-SO3H的表征

2.3 EVOH-g-SO3H交联膜的制备及表征

2.3.1 EVOH-g-SO3H交联膜的制备

2.3.2 EVOH-g-SO3H交联膜的表征

2.4 EVOH-g-SO3H交联膜的凝聚态结构及物理性能

2.4.1凝聚态结构

2.4.2物理性能

2.5 IPMC的制备及其形貌表征与电形变性能

2.5.1 IPMC的制备

2.5.2形貌表征

2.5.3电形变性能

2.6本章小结

第3章EVOH基离子聚合物交联膜的结构与性能

3.1 EVOH-g-SO3H的合成与结构表征

3.1.1磺化反应机理

3.1.2磺化反应工艺

3.1.3磺化产物的结构表征

3.2 EVOH-g-SO3H的醛交联成膜与结构表征

3.2.1醛交联反应机理

3.2.2醛交联成膜工艺

3.2.3醛交联产物的结构表征

3.3 EVOH-g-SO3H及醛交联产物的热重分析

3.4 EVOH-g-SO3H交联膜的凝聚态结构

3.4.1 SEM分析

3.4.2 AFM分析

3.5离子聚合物膜的物理性能

3.5.1吸水性

3.5.2离子交换能力

3.5.3结晶性能

3.5.4力学性能

3.6本章小结

第4章IPMC的结构与电形变性能

4.1 IPMC的制备工艺及其形貌

4.1.1 IPMC的制备工艺

4.1.2 IPMC的表面形貌

4.1.3 IPMC的断面形貌及电极厚度

4.2电形变性能的研究

4.2.1磺化度对电形变性能的影响

4.2.2水分对形变性能的影响

4.2.3负载电压对形变性能的影响

4.2.4 IPMC的形变应力

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢