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电活性聚合物国内外综述

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  【摘 要】研制出轻巧微型,灵活的驱动设备成为社会发展的必然趋势,电致动器在这样的大环境下应运而生。本文在电活性聚合物分类的基础上说明了电致动器致动机理,并详细概述了不同材料的性能差异与改进方式。
  【关键词】致动器;电活性聚合物;离子型电活性聚合物
  一、引言
  电活性聚合物(EAP)是一种在电场刺激下能发生尺寸或形状变化的智能材料。在20世纪90年代后期,已经证明一些电活性聚合物可以表现出高达380%的应变,这样的响应效果优于任何传统的陶瓷致动器。
  二、电活性聚合物分类
  电活性聚合物根据其活化机理的不同可分为离子型和电子型两大类[1]。电子EAP可以在高压电场的作用下表现出弯曲形态。然而,电子EAP要求的初始电压极高,甚至达到击穿电压。离子EAP是一种涉及离子迁移或扩散的材料。离子EAP的活化可通过低至1-2伏特的电压进行,并且产生较大的位移。
  三、电子型电活性聚合物
  电子型电活性聚合物可细分为全有机复合材料、介电电活性聚合物、电致伸缩接枝弹性体、电致伸缩薄膜、电致粘弹性聚合物、铁电聚合物以及液晶弹性体。其中介电弹性体近年受到广泛关注因其具有柔软且损耗小的特点。
  四、离子型电活性聚合物
  1.离子聚合物凝胶
  水凝胶是指一类有三维网络结构的新型材料[2],常作为支撑材料应用于电致动器中。水凝胶按照来源及成分可分为合成水凝胶和纯天然高分子水凝胶,在此主要介绍纯天然高分子水凝胶。
  纯天然高分子水凝胶与合成水凝胶相比具有来源广泛的优点,在电致动器领域广为应用。壳聚糖作为纯天然高分子水凝胶在近几年的研究中备受青睐。壳聚糖是一种天然聚合物,具有原料来源丰富,成本低廉,良好的生物降解性和生物相容性等特性[3]。
  壳聚糖在作为支撑材料应用于电致动器时存在输出力性能不稳定的现象,我们需要添加交联剂增强壳聚糖的性能。在过去的研究中发现戊二醛可以作为交联剂[4],但戊二醛是一种有毒物质。部分学者基于这种情况提出了使用碳纳米管(CNT)替代戊二醛作为交联剂[5],并且发现使用碳纳米管修饰壳聚糖可以增强电致动器的电导率和机械性能[6]。
  2.离子聚合物金属复合材料(IPMC)
  IPMC是一種重要的离子型聚合物材料,在20世纪90年代初期被发现[7]。它的驱动机理是在电场作用下水合阳离子向阴极移动造成阴极的扩大和阳极的收缩在宏观上表现出弯曲的形态[8]。
  典型的IPMC由一层离子聚合物膜和两层金属复合膜组成,金属复合膜在离子聚合物膜的两面由贵金属(如金和铂)化学镀制成。离子聚合物可以分为氟化离子聚合物,非氟化离子聚合物,磷酸掺杂离子聚合物其中氟化离子聚合物的使用较为普遍。
  IPMC需要的激活电压低,弯曲变形大,在干湿条件下均可工作。因其具有这些特性,过去的许多年中IPMC在仿生机器人领域已经得到了应用[9]。
  传统的IPMC使用金或铂作为表面电极,价格十分昂贵,为了降低成本部分学者提出使用基于化学沉积法的镀银方法得到新型IPMC[10]。当IPMC被机械弯曲时会产生跨膜输出电压,因此也可以被应用于传感器,执行器。
  3.导电聚合物
  1987年人们首次证明了导电聚合物可以作为人工肌肉应用[11]。这类电致动器在通电的情况下伴随着阳离子的插入或阴离子的移除,造成体积的增大或减小,导致形态弯曲。
  这类致动器有不同的结构,弯曲三层结构是最常见并且最容易制备的,三层执行器通常是由两个聚合物层和一个被动层组成的“三明治”结构[12]。最常用的聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩衍生物。
  合成条件对导电聚合物的性能影响极高,拿聚吡咯来说,一般合成吡咯的方法有电化学合成和电沉积合成。相比较来说电化学合成聚吡咯的导电率最高,力学性能最好。同时也是最容易获得的方法。
  五、应用与展望
  离子型电活性聚合物电致动器在过去的研究中已经取得了极为可观的成就,不过响应速率低,使用寿命短,响应不可逆仍然是其面临的问题,超越原有的机械型致动器仍然是一个梦想。我们相信离子型EAP材料做电致动器仍具有无限的潜力与极大的空间等待着我们去探索。
  参考文献:
  [1]田素坤. 聚吡咯导电聚合物驱动器力学性能分析[D]. 南华大学,2016.
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  [3]袁玥,钱本祥,凌新龙. 壳聚糖的改性研究进展及其应用[J]. 纺织科学与工程学报,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力电耦合关系中的分布式等效电路模型研究[D]. 南京航空航天大学,,2017.
  [9]Nakabo Y,Mukai T,Asaka K. Biomimetic soft robots using IPMC[M]//Electroactive Polymers for Robotic Applications. Springer,2007:165-198.
  [10]陈骐. Ag 基 IPMC 柔性驱动器的制备及控制特性研究[D]. 南京航空航天大学,2009.
  [11]黄美荣,李新贵. 导电聚合物的电化学机械性能及其致动器[J]. 材料科学与工程学报,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).
  作者简介:
  李函(2000-),女,黑龙江省黑河市人,在读本科生,专业为食品科学与工程。
  (作者单位:哈尔滨理工大学荣成学院)

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