徐 兵 楊漢生 葉 松 方愿捷

(巢湖學(xué)院機械與電子工程學(xué)院， 安徽 巢湖 238000)

圖案化電極的離子聚合物金屬復(fù)合物扭轉(zhuǎn)特性研究

徐 兵 楊漢生 葉 松 方愿捷

(巢湖學(xué)院機械與電子工程學(xué)院， 安徽 巢湖 238000)

以商業(yè)膜和自制梯度膜為基膜，采用化學(xué)鍍的方式得到圖案化電極的離子聚合物金屬復(fù)合物(IPMC)，分析其扭轉(zhuǎn)特性。在直流電壓驅(qū)動下，梯度膜IPMC可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角度大于商業(yè)膜IPMC可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角度；當(dāng)直流電壓為5V時，梯度膜IPMC扭轉(zhuǎn)角度是商業(yè)膜IPMC最大扭轉(zhuǎn)角度的5倍多。在交流電壓驅(qū)動下，扭轉(zhuǎn)角度隨著電壓逐漸增大而增大；當(dāng)交流電壓為5V時，梯度膜IPMC最大扭轉(zhuǎn)角度是商業(yè)膜IPMC最大扭轉(zhuǎn)角度的2倍多。

IPMC； 圖案化； 梯度膜； 商業(yè)膜； 扭轉(zhuǎn)特性

離子聚合物金屬復(fù)合物(IPMC)是一種新型的電致動聚合物，由離子交換膜和上下兩層金屬層構(gòu)成，具有柔性佳、質(zhì)量輕、生物兼容性好及低電壓驅(qū)動下變形大等特點，應(yīng)用前景廣泛[1-3]。目前，國外關(guān)于圖案化IPMC的研究已取得了一定成果。在美國，內(nèi)華達(dá)大學(xué)研究人員通過微銑刀加工得到了圖案化電極的IPMC，并對其扭轉(zhuǎn)特性作了進(jìn)一步研究[4]。布里斯托爾大學(xué)研究人員通過電火花加工得到了圖案化的IPMC，并對其撲動性能作了進(jìn)一步研究[5]。密歇根州立大學(xué)研究人員通過刻蝕的方法得到了復(fù)雜運動變形的圖案化電極IPMC[6]。韓國國立全南大學(xué)也通過圖案化的電極實現(xiàn)了IPMC的波動和扭轉(zhuǎn)運動[7]。本次研究將通過商業(yè)膜和自制梯度膜制備出圖案化電極的IPMC，并建立測試系統(tǒng)，對2種圖案化電極的IPMC扭轉(zhuǎn)特性進(jìn)行測試。

1 圖案化電極IPMC的實驗制備

用商業(yè)Nafion膜和自制的Nafion梯度膜為基膜，通過化學(xué)鍍的方法使鉑金屬沉積在基膜兩側(cè)，從而制得IPMC。實驗步驟如下：

(1) 裁剪適當(dāng)尺寸的基膜，用砂紙打磨使其粗化，以利于金屬電極的更好沉積。

(2) 清洗基膜。采用超聲清洗、稀硫酸清洗、雙氧水清洗等方法，用去離子水反復(fù)清洗以去除基膜表面的雜物。

(3) 離子交換。將處理好的基膜放入[Pt(NH3)4]Cl2溶液中浸泡14 h以上，使得鉑離子滲入到薄膜內(nèi)部，實現(xiàn)離子交換。

(4) 化學(xué)還原反應(yīng)。通過還原劑硼氫化鈉溶液得到底層電極層，再通過氯化羥胺和水合肼實現(xiàn)2次還原反應(yīng)，得到致密的電極層。

(5) 用PI膠帶貼合IPMC得到圖案化的IPMC，并保持在去離子水中。

圖1所示為圖案化電極的IPMC。圖中，Ⅰ區(qū)域是撲動變形區(qū)域，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域為扭轉(zhuǎn)變形區(qū)域，商業(yè)膜的厚度為0.178 mm，梯度膜的厚度變化為0.55～0.29 mm。

圖1 圖案化電極的IPMC

2 IPMC扭轉(zhuǎn)特性測試

設(shè)計一款扭轉(zhuǎn)特性測試系統(tǒng)，用于測試圖案化電極的IPMC扭轉(zhuǎn)特性，系統(tǒng)由波形發(fā)生器、功率放大器、IPMC、CCD圖像采集系統(tǒng)等部分組成。對IPMC扭轉(zhuǎn)特性進(jìn)行測試：用銅電極夾住IPMC，波形發(fā)生器發(fā)送電信號，通過功率放大電路放大，驅(qū)動IPMC實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形；再通過CCD把圖像采集到計算機中；最后通過ImageJ圖像處理軟件處理并給出扭轉(zhuǎn)特性分析結(jié)果。

圖2 測試系統(tǒng)

3 扭轉(zhuǎn)特性測試結(jié)果及分析

圖3所示為圖案化電極IPMC直流驅(qū)動下的扭轉(zhuǎn)變形?？梢钥吹?，從0～5 V的電壓變化過程中，商業(yè)膜IPMC發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)變形，而梯度膜IPMC有明顯的扭轉(zhuǎn)變形。

圖3 圖案化電極IPMC直流驅(qū)動下的扭轉(zhuǎn)變形

圖4所示為圖案化電極的IPMC在交流驅(qū)動下的扭轉(zhuǎn)變形。由圖中的擬合曲線可以看出，交流電壓下梯度膜和商業(yè)膜的IPMC發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)變形。

圖5、圖6所示為圖案化電極的IPMC扭轉(zhuǎn)角隨直流和交流電壓的變化。由圖5可見，梯度膜IPMC的扭轉(zhuǎn)角從1.5 V開始急劇加大，在3.5 V左右趨于穩(wěn)定，是商業(yè)膜IPMC扭轉(zhuǎn)角的3倍多。由圖6可見，2種IPMC扭轉(zhuǎn)角度隨電壓的增大而平穩(wěn)加大，梯度膜的IPMC扭轉(zhuǎn)角是商業(yè)膜的2倍左右。

從實驗結(jié)果分析可知，梯度膜為基膜的圖案化電極IPMC具有較好的扭轉(zhuǎn)特性，其主要原因是梯度膜結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更大的變形量。

圖4 圖案化電極的IPMC在交流驅(qū)動下的扭轉(zhuǎn)變形

圖5 圖案化電極的IPMC扭轉(zhuǎn)角隨直流電壓的變化關(guān)系

圖6 圖案化電極的IPMC扭轉(zhuǎn)角隨交流電壓的變化關(guān)系

4 結(jié) 語

本次研究中，基于商業(yè)膜和梯度膜制備了圖案化電極的IPMC，建立了一套離子聚合物金屬復(fù)合物性能測試系統(tǒng)，對扭轉(zhuǎn)運動過程中的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行性能測試。實驗結(jié)果表明，在直流電壓驅(qū)動下，梯度膜的圖案化電極IPMC扭轉(zhuǎn)角度隨電壓增大速度較快，而商業(yè)膜的圖案化電極IPMC扭轉(zhuǎn)角度平穩(wěn)增大。交流電壓驅(qū)動下，2種類型的圖案化電極IPMC扭轉(zhuǎn)角度都隨電壓平穩(wěn)加大。無論在直流還是交流電壓驅(qū)動下，梯度膜的圖案化電極IPMC都可以得到更大的扭轉(zhuǎn)角度。

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Study on the Torsion Characteristics of the Patterned Ionic Polymer Metal Composite

XUBingYANGHanshengYESongFANGYuanjie

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Chaohu Anhui 238000, China)

In this paper, the patterned IPMC is fabricated based on the basilemma of commercialized Nafion film and gradient Nafion film, and its torsion feature is studied. The results indicate that driven by DC voltage, the gradient film IPMC can realize the torsion angle larger than the commercial film, and can realize the torsion angle. Under the DC voltage, the torsion angle of the patterned IPMC with basilemma of gradient film is about 5 times larger than the one with basilemma of commercial film under 5V DC voltage. Under the AC voltage, the torsion angle increases with the voltage rising; and the torsion angle of the patterned IPMC with basilemma of gradient film is 2 times larger than the one with basilemma of commercial film when supplied 5V voltage.

IPMC; patterned; gradient film; commercialized film; the torsion characteristic

2016-12-31

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項目“基于離子聚合物金屬復(fù)合物的多自由度仿生撲翼運動驅(qū)動技術(shù)研究”(KJ2015A281)；安徽省巢湖學(xué)院校級科學(xué)研究項目“仿生撲翼機器人的研究”(XLZ-201506)

徐兵(1990 — )，男，安徽舒城人，助教，研究方向為驅(qū)動器、撲翼機器人。

TB34

A

1673-1980(2017)04-0072-03