EVOH基離子聚合物的合成及其薄膜電形變性能研究.pdf

1、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)可作為驅(qū)動(dòng)材料用于制造尺寸細(xì)小的器件，用于操作細(xì)胞、生物器官等；如制成人工假體，用于肢體殘障者恢復(fù)某些功能；如制成質(zhì)量輕、能耗低的人工手臂，代替重量大、能耗高的馬達(dá)-齒輪機(jī)械手臂。美、日等國(guó)的科學(xué)家準(zhǔn)備用聚合物基機(jī)械手，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的馬達(dá)-齒輪機(jī)械系統(tǒng)，用在太空探測(cè)器上采集巖石標(biāo)本、清潔觀測(cè)窗玻璃等。利用聚合物基人工肌肉可使設(shè)備與器件小型化，從而推動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。目前世界范圍內(nèi)只有少數(shù)國(guó)家掌握了

2、IPMC的合成、成型及復(fù)合技術(shù)，我國(guó)在自主研發(fā)IPMC領(lǐng)域尚屬起步階段。所以進(jìn)行IPMC的合成、性能及金屬?gòu)?fù)合技術(shù)研究對(duì)我國(guó)新型智能材料的開發(fā)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本論文首先對(duì)離子聚合物中間體（EVOH-g-nPEG）及其離子聚合物（EVOH-g-nSPEG）的合成進(jìn)行了研究。分別采用環(huán)氧乙烷工藝和氯代醇工藝合成了EVOH-g-nPEG中間體，對(duì)合成的中間體采用傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、氫核磁（1H-NMR）、凝膠滲透

3、色譜（GPC）等方法進(jìn)行了表征分析，研究表明氯代醇法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，且接枝側(cè)鏈的長(zhǎng)度較易控制，EVOH-g-nPEG接枝度達(dá)到40～41％。利用FT-IR和GPC分析研究了EVOH-g-nPEG與1,3-丙烷磺酸內(nèi)酯的內(nèi)酯開環(huán)反應(yīng)，分析探討影響內(nèi)酯開環(huán)反應(yīng)的關(guān)鍵因素，對(duì)EVOH-g-nSPEG的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量進(jìn)行了表征分析。EVOH-g-nSPEG的TG分析表明EVOH-g-nSPEG的熱失重曲線有兩個(gè)失重臺(tái)階，與磺酸發(fā)生強(qiáng)烈締合作用

4、的水的分解可能發(fā)生在第一個(gè)失重臺(tái)階之前。
　　分別采用溶液鑄膜和高壓靜電紡絲法制備了EVOH-g-nSPEG薄膜。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡(AFM）分析方法對(duì)EVOH-g-nSPEG鑄膜的表面形貌和濕態(tài)下的微團(tuán)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并對(duì)兩種薄膜的飽和吸水率、離子交換容量、離子電導(dǎo)率進(jìn)行了表征，并討論薄膜形態(tài)對(duì)上述性能的影響。其中鑄膜和電紡膜的最大飽和吸水率分別達(dá)到了157.2%和233.5%；EVOH-g-nSPEG

5、主鏈結(jié)晶性并沒有因?yàn)殡娂徆に嚩档?，而濕態(tài)下的薄膜中水的存在明顯地降低了主鏈的結(jié)晶性。EVOH-g-nSPEG膜質(zhì)子電導(dǎo)率總體上是隨著側(cè)鏈長(zhǎng)度的增加而下降的，并且鑄膜的質(zhì)子電導(dǎo)率比電紡膜的小。
　　為了研究IPMC的電形變性能，首先采用滲透還原工藝制備了IPMC，并利用掃描電子顯微鏡分析和能譜分析方法對(duì)IPMC的微觀形貌和電極厚度進(jìn)行了分析研究。建立起了定性表征形變臨界電壓的方程式，利用循環(huán)伏安分析以及四電極法、截距法研究了IPM

6、C的膜內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)、電極表面電阻和形變臨界電壓，研究了IPMC的化學(xué)結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)以及電極結(jié)構(gòu)對(duì)形變臨界電壓的影響，并利用電形變實(shí)驗(yàn)研究了IPMC端點(diǎn)形變位移、端點(diǎn)形變響應(yīng)時(shí)間以及彎曲形變應(yīng)力。其中，鑄膜IPMC鉑電極厚度最大可以達(dá)到20.94μm，而Pt/Ag復(fù)合金屬電極的表面電阻最低可達(dá)10.28?/m2，電紡膜IPMC的鉑電極平均厚度最大可以達(dá)到33.52μm。當(dāng)側(cè)鏈氧乙烷重復(fù)單元數(shù)小于4時(shí)，側(cè)鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所需要的UR越高。兩種膜中

7、，電紡膜IPMC的形變臨界電壓略低，且形變臨界電壓基本上隨電極表面電阻的增加而提高。不同反離子的IPMC進(jìn)行形變實(shí)驗(yàn)時(shí)，反離子的擴(kuò)散能力越強(qiáng)，離子電導(dǎo)率越高，形變臨界電壓越低。當(dāng)在IPMC-0-M（H、Li、Na、K）連續(xù)提高負(fù)載電壓時(shí)，其端點(diǎn)形變位移都隨負(fù)載電壓的提高而逐漸加大，在4.2V～4.4V負(fù)載電壓區(qū)域，端點(diǎn)最大形變位移達(dá)到較高的數(shù)值。在相同的負(fù)載電壓下，鑄膜IPMC顯示出較高的彎曲形變應(yīng)力，其最高的彎曲形變應(yīng)力達(dá)到4.75M