多片叠加工艺提高IPMC力输出性能研究*

于 敏 ，何青松 ，b，汤伊黎 ，b，韦海菊 ，b，戴振东

（南京航空航天大学 a.仿生结构与材料防护研究所；b.机电学院，江苏 南京 210016）

IPMC（Ionic polymer-metal composite）是一种新型的电致动聚合物材料，由全氟磺酸离子聚合物（如Nafion膜）与嵌在膜表面的纳米金属电极（如Pt）组成。IPMC基底膜（Nafion膜）同时具有亲水和憎水基团，在膜内部形成了许多纳米尺度的微管道，外加电场作用下，基材中溶剂化水合离子在微管道内定向迁移，导致沿膜厚方向含水量不均，产生内应力，引起IPMC的形变。IPMC材料在较低电压（约1～3V）激励下会产生超过90°的弯曲变形，质量轻，质地柔，无噪音，生物相容性好，在微型机器人、人工肌肉、仿生机械等领域，IPMC作为驱动器被广泛地研究。美国新墨西哥大学人工肌肉研究所（AMRI）的Mohsen Shahinpoor等使用IPMC作为驱动器设计了微型抓取器、人工心脏的辅助压缩舒张装置等[1]，日本香川大学Zhang等设计了IPMC驱动的水下机器人，可以实现泳动、行走和漂浮等运动[2]。Yeom等研制了仿水母机器人[3]。这些研究展示了IPMC潜在的应用价值，但是现有的IPMC驱动器力输出较低，仅为毫牛级，这大大限制了其在工程中进一步的应用。因此，众多学者致力于IPMC输出力的提高，如Kim等[4]用聚合物溶液浇铸技术制备加厚的全氟磺酸膜,以提高IPMC的输出力。Lee等通过热压和增加化学镀的次数来提高IPMC的输出力[5]。

本文针对IPMC输出力较小，在制备单片IPMC膜的基础上，通过多片IPMC薄膜的叠加工艺提高IPMC的输出力，研究叠加层数对输出力的影响。

1 实验部分

1.1 Nafion膜的浇铸和IPMC的制备

1.1.1 浇铸Nafion膜 Nafion膜的成膜机理是浓溶液挥发过程中大分子链段进入晶格并由无序变为有序的结晶过程，不是简单的溶液挥发过程。为了避免成膜初期因低沸点溶剂快速挥发，大分子链段还未有序重排而导致膜脆裂现象，制备中使用高沸点溶剂DMF（二甲基甲酰胺）置换低沸点溶剂[6]。自制浇铸模具的尺寸为长7cm，宽4cm，高6cm，计算可得所需 Nafion 溶液（DE520，5%，Dupont）的量 W=4×7×h/5%（mL）。其中h（cm）为所要制备 Nafion干膜的厚度。试验确定所需DMF（33%）的量与Nafion溶液的量的体积比为1∶4[7]。浇铸主要过程如下：将经过计算求出的Nafion溶液和DMF依次加入PDMS模具中，充分搅拌后将模具置入真空烤箱中，温度设置为70℃，成膜后将温度升高为150℃，并保持8min退火得到Nafion膜。浇铸流程如图1所示，制备获得了厚度为0.20mm的Nafion基底膜。

图1 Nafion溶液浇铸过程Fig.1 Cast procedure using liquid Nafion solution

1.1.2 制备IPMC复合材料 以浇铸的Nafion膜为基体材料，进行表面粗化，然后将其浸泡在铂铵复合物水溶液溶液中使[Pt（NH3）4]2+渗入薄膜表面。通过使用适当的还原剂,可将铂离子还原成纳米状态的金属铂粒,铂的纳米颗粒渗入到薄膜的表层深处，充当表面金属电极，获得IPMC复合材料[8]。主要制备步骤（图2）如下：（1）Nafion膜表面粗化。使用金刚砂纸轻柔打磨Nafion膜表面使其粗糙化，增大离子聚合物与金属电极之间的交界面积，也增加了可吸附Pt离子的薄膜面积[9]。（2）离子吸附。在室温条件将膜浸泡在含Pt浓度为2mg·mL-1的铂铵复合物（[Pt（NH3）4]Cl2·x H2O）水溶液溶液中，铂氨复合物的[Pt（NH3）4]2+与Nafion膜内的H+发生交换，使得Pt离子吸附在Nafion膜上。（3）主化学镀。使用硼氢化钠（NaBH4，5%）作为还原剂，将吸附在Nafion膜上的Pt离子还原成纳米级的Pt金属，沉积在Nafion膜的表面。（4）次化学镀。采用盐酸羟胺（NH2OHHCl，5%）和水合肼（NH2NH2-～1.5H2O，20%）溶液作为还原剂，将溶液中的[Pt（NH3）4]2+通过还原反应继续置换Pt颗粒到膜的表面，以增加电极厚度，减少IPMC表面电阻[10]。（5）离子交换。将膜在30℃下浸泡于1.5N LiCl溶液中24h，用Li+取代基体中的H+。

图2 IPMC制备流程Fig.2 The fabrication procedure of IPMC

1.1.3 多片IPMC膜叠加 单片IPMC驱动力有限，在采用化学方法对IPMC材料力输出性能进行提升的同时，还可以通过物理方法进行多片膜叠加工艺获得较大的力输出，以满足不同领域应用开发的驱动需求。多片IPMC膜叠加驱动的方式可以采用串联组装和并联组装两种方式。

串联方式进行叠加，即将多片IPMC膜两侧金属电极直接压触在一起，外加电极连接于整体组装结构的上下两面，单片IPMC膜之间不需要加绝缘材料，因此，操作简单、易于实现。但由于IPMC制备工艺的影响，同批制备获得的IPMC其性能（如表面电阻）也不能保证完全相同。在总施加电压一定的情况下，单片IPMC膜上所承担的驱动电压不易控制。如果其中的某一片IPMC的驱动电压过高就可能发生电解或被烧坏，电压过低则降低IPMC驱动能力。

并联组装结构，如图3所示，由IPMC膜、绝缘材料和电极组成，各单片IPMC膜的上侧Pt金属层和下侧Pt金属层分别连接外加交流电压两级，相邻两片IPMC膜Pt金属层之间必须绝缘，其并联电路如图4所示。并联组装相对串连组装结构复杂一些，但由于相同的外加电压信号同时驱动各单片IPMC膜，可保证各片膜同时动作，运动协调，减少单片膜之间力与位移的相互抵消和制约。本文在单片IPMC性能的基础上，采用IPMC并联组装方式，着力于解决力输出对于应用开发的限制，从而满足相关应用领域的驱动要求。

图3 三片IPMC组装结构示意图Fig.3 Diagram of three layers of IPMC assembly

图4 多片IPMC并联电路示意图Fig.4 Diagram of the parallel circuit

1.2 测试平台和试样

测试平台包括信号发生单元、试样夹持装置、力传感器和数据采集系统，如图5所示，用于测试IPMC条形试样的输出力。信号发生单元采用数字合成低频功率信号发生器（SP1651，盛普科技）。力传感器采用UMT-2微摩擦试验机（CETR,USA）的量程为10g的微传感器。测试时，按需要将IPMC裁剪成条形，一端通过电极夹装固定，一端悬置，力传感器置于IPMC试样悬置末端，获得试样的单向最大输出力。

单片IPMC条形试样的尺寸为35mm×5mm×0.2mm（长×宽×厚），分别进行2片并联叠加、3片并联叠加和5片并联叠加。先测试单片试样力输出，然后将单片进行并联叠加测试叠加力输出效果。测试中输入激励信号均采用正弦信号，频率设定为0.1Hz，驱动IPMC的电压峰值为2.5V。所有测试过程均在空气中进行，每次测试前将IPMC试样浸于去离子水中吸收足够的水分后进行测试。

图5 IPMC性能测试系统Fig 5 Apparatus for the actuation testof IPMC

2 测试结果与分析

实验设计了两片叠加、3片叠加和5片叠加的测试，研究IPMC叠加层数对IPMC试样末端的力输出的影响。单片IPMC试样、两片叠加试样和3片叠加试样的力测试结果比较如图6所示，单片1试样末端平均最大输出力为0.76mN，单片2的平均最大输出力为0.67mN，单片3为0.69mN。单片1和单片2叠加后的末端平均最大输出力为0.97mN，单片1、单片2和单片3叠加后末端输出力为1.3mN。结果表明，多片叠加后IPMC试样力输出比单片显著增高，2片叠加比单片平均力输出值提高了1.35倍，3片叠加力输出值比单片平均提高了1.84倍。理论上2片叠加输出力的最大值为两单片之和，即1.43mN，因此叠加后力的输出效率为2片叠加试样输出力（0.97mN）与两单片输出力和（1.43mN）的比值，即67.7%（0.97mN/1.43mN），同理可以计算出3层叠加后的叠加效率为61.8%。

图6 两层和3层IPMC叠加测试结果（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）

图7为单片IPMC试样和5片叠加试样的力测试结果。

5个单片IPMC试样力输出分别为0.63，0.41，0.58，0.52，0.64mN，这 5 片叠加后输出力为 1.63mN，叠加效果显著，比单片平均输出力增加了2.93倍，但其叠加效率仅为58.6%。

图7 5层IPMC叠加测试结果（正弦波，2.5V，0.1Hz）Fig.7 Results of composition of five layers of IPMCs（sinusoidal voltage,2.5V,0.1Hz）

2片叠加、3片叠加和5片叠加效率比较见图8。

图8 IPMC叠加效率Fig.8 Composition efficiency of IPMs

IPMC试样在正弦波驱动下，随着叠加层数的增加，叠加后力的输出效率逐渐下降。采用并联方式对IPMC进行多层叠加可以显著提高其输出力，但多层IPMC的输出力并不是简单的每个单片IPMC的输出力之和，层数越多，叠加效率越低。此外，叠加效率还受多种因素的影响，例如IPMC试样制备的工艺、电极材料、绝缘层材料、两片薄膜之间的粘贴情况等。

3 结论

本文采用聚合物溶液浇铸技术浇铸了Nafion膜，在该基体膜上采用化学镀的方法成功制备了IPMC复合材料，采用并联的方法叠加多片IPMC，在测试平台上测试了叠加后IPMC的输出力。结果表明，采用并联方式对IPMC进行多层叠加可以显著提高其输出力，但多层IPMC的输出力并不是简单的每个单片IPMC的输出力之和，随着叠加层数的增加，叠加后力的输出效率逐渐下降。

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