聚合物/石墨复合材料的制备及电-机转化研究

来源 :郑州轻工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:z315659288
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电活性聚合物(EAP)具有优异的电机转化性能可用于柔性致动器、电子皮肤、谐振传感器等领域,聚合物基底膜和电极对EAP至关重要。表现在:聚合物电极可以克服常规离子型EAP——离子交换聚合物金属复合材料(IPMC)的水流失、模量大、成本高等缺陷;基底膜可调的力学性能可以实现电子型EAP——绝缘弹性体(DEA)的免预负载面外运动。本论文以全氟磺酸聚合物(PFSA)、硅橡胶(PDMS)和聚偏氟乙烯(PVDF)为基底膜,研究电极的成分、力学、电学性能对EAP致动性能的影响,目标是获得可用于商业化的EAP。结果如下:1.以金属Pt纳米颗粒为电极,磺酸SiO2纳米胶体(HSO3-SiO2)杂化PFSA膜为基底膜,制备了高含水量、高离子交换当量的IPMC电致动器。相对于常规纯PFSA膜IPMC,新IPMC的金属纳米电极更为致密,导电性、保水性高;基底膜的含水量(WU)和离子交换当量(IEC)为纯PFSA膜的1.57、2.37倍;电致动性能明显优化,位移输出增加51%,力输出增加233%,稳定工作时间延长346%。2.以PVDF/石墨(Gr)为电极,制备了可用于水和离子液驱动的PVDF膜IPMC电致动器。以聚乙烯醇吡咯烷酮(PVP)为造孔剂,离子液体(IL,[EMIm]·[BF4])为增塑剂,提出了一种新型、有效内管道增强的亲水性聚偏氟乙烯(PVDF)电解质膜的制备技术。制备的电解质母体膜的孔隙率高达15.8%,其水、IL的含有量分别达到44.2%和38.1%。与传统的PVDF/IL材料IPMC相比,本文制备的水、IL驱动IPMC的力输出分别增加13.4倍和3.0倍,位移输出分别增加2.2倍和1.9倍。采用的碳/PVDF复合电极与基底膜有良好的兼容性,使得电极与基底膜之间的电子传输传递更加稳定,可承受较大电压的输入,因此可为致动器的大位移与大驱动力的发展提供条件。3.利用微波接枝,诱导苯乙烯磺酸钠(SSS)的乙烯基与烯基化PVDF发生二烯加成反应,从而在PVDF的侧链上引入SSS基团。红外光谱跟踪了碱液浓度、反应时间对烯基产率的影响。然后,利用相转移技术制备了PVDF-SSS离子交换膜,其IEC为0.65 mmol/L。在其两侧固定PVDF/Gr聚合物电极,导入低压电信号,得到新型、廉价的IPMC电致动器。3V,0.1Hz频率交流电场下,PVDF-SSS膜IPMC产生稳定的电致动响应。4.以硅橡胶(PDMS)/Gr为软电极,PDMS/Gr/Ag纳米颗粒(Ag NPs)为硬电极,氨基化聚二甲基硅氧烷(NH2-PDMS)为介电弹性体,制备了免预负载的不对称电极DEP电致动器。软、硬电极的厚度、模量、面电阻分别为54.1μm,9.21MPa,1.02kΩ/cm2和166.7μm,87.5MPa,0.13kΩ/cm2。在8.8 V/μm的电场激励下,DEP膜中心产生26.3°的偏转角;增加驱动电压或降低频率,膜的偏转增加,表现出良好的可控性。
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