多片疊加工藝提高IPMC力輸出性能研究*

于 敏 ，何青松 ，b，湯伊黎 ，b，韋海菊 ，b，戴振東

（南京航空航天大學 a.仿生結構與材料防護研究所；b.機電學院，江蘇 南京 210016）

IPMC（Ionic polymer-metal composite）是一種新型的電致動聚合物材料，由全氟磺酸離子聚合物（如Nafion膜）與嵌在膜表面的納米金屬電極（如Pt）組成。IPMC基底膜（Nafion膜）同時具有親水和憎水基團，在膜內部形成了許多納米尺度的微管道，外加電場作用下，基材中溶劑化水合離子在微管道內定向遷移，導致沿膜厚方向含水量不均，產生內應力，引起IPMC的形變。IPMC材料在較低電壓（約1～3V）激勵下會產生超過90°的彎曲變形，質量輕，質地柔，無噪音，生物相容性好，在微型機器人、人工肌肉、仿生機械等領域，IPMC作為驅動器被廣泛地研究。美國新墨西哥大學人工肌肉研究所（AMRI）的Mohsen Shahinpoor等使用IPMC作為驅動器設計了微型抓取器、人工心臟的輔助壓縮舒張裝置等[1]，日本香川大學Zhang等設計了IPMC驅動的水下機器人，可以實現泳動、行走和漂浮等運動[2]。Yeom等研制了仿水母機器人[3]。這些研究展示了IPMC潛在的應用價值，但是現有的IPMC驅動器力輸出較低，僅為毫牛級，這大大限制了其在工程中進一步的應用。因此，眾多學者致力于IPMC輸出力的提高，如Kim等[4]用聚合物溶液澆鑄技術制備加厚的全氟磺酸膜,以提高IPMC的輸出力。Lee等通過熱壓和增加化學鍍的次數來提高IPMC的輸出力[5]。

本文針對IPMC輸出力較小，在制備單片IPMC膜的基礎上，通過多片IPMC薄膜的疊加工藝提高IPMC的輸出力，研究疊加層數對輸出力的影響。

1 實驗部分

1.1 Nafion膜的澆鑄和IPMC的制備

1.1.1 澆鑄Nafion膜 Nafion膜的成膜機理是濃溶液揮發過程中大分子鏈段進入晶格并由無序變為有序的結晶過程，不是簡單的溶液揮發過程。為了避免成膜初期因低沸點溶劑快速揮發，大分子鏈段還未有序重排而導致膜脆裂現象，制備中使用高沸點溶劑DMF（二甲基甲酰胺）置換低沸點溶劑[6]。自制澆鑄模具的尺寸為長7cm，寬4cm，高6cm，計算可得所需 Nafion 溶液（DE520，5%，Dupont）的量 W=4×7×h/5%（mL）。其中h（cm）為所要制備 Nafion干膜的厚度。試驗確定所需DMF（33%）的量與Nafion溶液的量的體積比為1∶4[7]。澆鑄主要過程如下：將經過計算求出的Nafion溶液和DMF依次加入PDMS模具中，充分攪拌后將模具置入真空烤箱中，溫度設置為70℃，成膜后將溫度升高為150℃，并保持8min退火得到Nafion膜。澆鑄流程如圖1所示，制備獲得了厚度為0.20mm的Nafion基底膜。

圖1 Nafion溶液澆鑄過程Fig.1 Cast procedure using liquid Nafion solution

1.1.2 制備IPMC復合材料 以澆鑄的Nafion膜為基體材料，進行表面粗化，然后將其浸泡在鉑銨復合物水溶液溶液中使[Pt（NH3）4]2+滲入薄膜表面。通過使用適當的還原劑,可將鉑離子還原成納米狀態的金屬鉑粒,鉑的納米顆粒滲入到薄膜的表層深處，充當表面金屬電極，獲得IPMC復合材料[8]。主要制備步驟（圖2）如下：（1）Nafion膜表面粗化。使用金剛砂紙輕柔打磨Nafion膜表面使其粗糙化，增大離子聚合物與金屬電極之間的交界面積，也增加了可吸附Pt離子的薄膜面積[9]。（2）離子吸附。在室溫條件將膜浸泡在含Pt濃度為2mg·mL-1的鉑銨復合物（[Pt（NH3）4]Cl2·x H2O）水溶液溶液中，鉑氨復合物的[Pt（NH3）4]2+與Nafion膜內的H+發生交換，使得Pt離子吸附在Nafion膜上。（3）主化學鍍。使用硼氫化鈉（NaBH4，5%）作為還原劑，將吸附在Nafion膜上的Pt離子還原成納米級的Pt金屬，沉積在Nafion膜的表面。（4）次化學鍍。采用鹽酸羥胺（NH2OHHCl，5%）和水合肼（NH2NH2-～1.5H2O，20%）溶液作為還原劑，將溶液中的[Pt（NH3）4]2+通過還原反應繼續置換Pt顆粒到膜的表面，以增加電極厚度，減少IPMC表面電阻[10]。（5）離子交換。將膜在30℃下浸泡于1.5N LiCl溶液中24h，用Li+取代基體中的H+。

圖2 IPMC制備流程Fig.2 The fabrication procedure of IPMC

1.1.3 多片IPMC膜疊加 單片IPMC驅動力有限，在采用化學方法對IPMC材料力輸出性能進行提升的同時，還可以通過物理方法進行多片膜疊加工藝獲得較大的力輸出，以滿足不同領域應用開發的驅動需求。多片IPMC膜疊加驅動的方式可以采用串聯組裝和并聯組裝兩種方式。

串聯方式進行疊加，即將多片IPMC膜兩側金屬電極直接壓觸在一起，外加電極連接于整體組裝結構的上下兩面，單片IPMC膜之間不需要加絕緣材料，因此，操作簡單、易于實現。但由于IPMC制備工藝的影響，同批制備獲得的IPMC其性能（如表面電阻）也不能保證完全相同。在總施加電壓一定的情況下，單片IPMC膜上所承擔的驅動電壓不易控制。如果其中的某一片IPMC的驅動電壓過高就可能發生電解或被燒壞，電壓過低則降低IPMC驅動能力。

并聯組裝結構，如圖3所示，由IPMC膜、絕緣材料和電極組成，各單片IPMC膜的上側Pt金屬層和下側Pt金屬層分別連接外加交流電壓兩級，相鄰兩片IPMC膜Pt金屬層之間必須絕緣，其并聯電路如圖4所示。并聯組裝相對串連組裝結構復雜一些，但由于相同的外加電壓信號同時驅動各單片IPMC膜，可保證各片膜同時動作，運動協調，減少單片膜之間力與位移的相互抵消和制約。本文在單片IPMC性能的基礎上，采用IPMC并聯組裝方式，著力于解決力輸出對于應用開發的限制，從而滿足相關應用領域的驅動要求。

圖3 三片IPMC組裝結構示意圖Fig.3 Diagram of three layers of IPMC assembly

圖4 多片IPMC并聯電路示意圖Fig.4 Diagram of the parallel circuit

1.2 測試平臺和試樣

測試平臺包括信號發生單元、試樣夾持裝置、力傳感器和數據采集系統，如圖5所示，用于測試IPMC條形試樣的輸出力。信號發生單元采用數字合成低頻功率信號發生器（SP1651，盛普科技）。力傳感器采用UMT-2微摩擦試驗機（CETR,USA）的量程為10g的微傳感器。測試時，按需要將IPMC裁剪成條形，一端通過電極夾裝固定，一端懸置，力傳感器置于IPMC試樣懸置末端，獲得試樣的單向最大輸出力。

單片IPMC條形試樣的尺寸為35mm×5mm×0.2mm（長×寬×厚），分別進行2片并聯疊加、3片并聯疊加和5片并聯疊加。先測試單片試樣力輸出，然后將單片進行并聯疊加測試疊加力輸出效果。測試中輸入激勵信號均采用正弦信號，頻率設定為0.1Hz，驅動IPMC的電壓峰值為2.5V。所有測試過程均在空氣中進行，每次測試前將IPMC試樣浸于去離子水中吸收足夠的水分后進行測試。

圖5 IPMC性能測試系統Fig 5 Apparatus for the actuation testof IPMC

2 測試結果與分析

實驗設計了兩片疊加、3片疊加和5片疊加的測試，研究IPMC疊加層數對IPMC試樣末端的力輸出的影響。單片IPMC試樣、兩片疊加試樣和3片疊加試樣的力測試結果比較如圖6所示，單片1試樣末端平均最大輸出力為0.76mN，單片2的平均最大輸出力為0.67mN，單片3為0.69mN。單片1和單片2疊加后的末端平均最大輸出力為0.97mN，單片1、單片2和單片3疊加后末端輸出力為1.3mN。結果表明，多片疊加后IPMC試樣力輸出比單片顯著增高，2片疊加比單片平均力輸出值提高了1.35倍，3片疊加力輸出值比單片平均提高了1.84倍。理論上2片疊加輸出力的最大值為兩單片之和，即1.43mN，因此疊加后力的輸出效率為2片疊加試樣輸出力（0.97mN）與兩單片輸出力和（1.43mN）的比值，即67.7%（0.97mN/1.43mN），同理可以計算出3層疊加后的疊加效率為61.8%。

圖6 兩層和3層IPMC疊加測試結果（正弦波，2.5V，0.1Hz）Fig.6 Results of composition of two and three layers of IPMCs（sinusoidal voltage,2.5V,0.1Hz）

圖7為單片IPMC試樣和5片疊加試樣的力測試結果。

5個單片IPMC試樣力輸出分別為0.63，0.41，0.58，0.52，0.64mN，這 5 片疊加后輸出力為 1.63mN，疊加效果顯著，比單片平均輸出力增加了2.93倍，但其疊加效率僅為58.6%。

圖7 5層IPMC疊加測試結果（正弦波，2.5V，0.1Hz）Fig.7 Results of composition of five layers of IPMCs（sinusoidal voltage,2.5V,0.1Hz）

2片疊加、3片疊加和5片疊加效率比較見圖8。

圖8 IPMC疊加效率Fig.8 Composition efficiency of IPMs

IPMC試樣在正弦波驅動下，隨著疊加層數的增加，疊加后力的輸出效率逐漸下降。采用并聯方式對IPMC進行多層疊加可以顯著提高其輸出力，但多層IPMC的輸出力并不是簡單的每個單片IPMC的輸出力之和，層數越多，疊加效率越低。此外，疊加效率還受多種因素的影響，例如IPMC試樣制備的工藝、電極材料、絕緣層材料、兩片薄膜之間的粘貼情況等。

3 結論

本文采用聚合物溶液澆鑄技術澆鑄了Nafion膜，在該基體膜上采用化學鍍的方法成功制備了IPMC復合材料，采用并聯的方法疊加多片IPMC，在測試平臺上測試了疊加后IPMC的輸出力。結果表明，采用并聯方式對IPMC進行多層疊加可以顯著提高其輸出力，但多層IPMC的輸出力并不是簡單的每個單片IPMC的輸出力之和，隨著疊加層數的增加，疊加后力的輸出效率逐漸下降。

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