导电聚合物对银基IPMC耐腐蚀性影响研究

赵鸿翔 刘甲奇 张佳玲 马英杰

摘 要：通常IPMC（离子聚合物金属复合材料）使用铂或金等贵金属作为电极，为了降低成本同时提高电极的抗腐蚀能力，采用聚吡咯（PPy）与银（Ag）复合作为电极的方法制备PPy-Ag-IPMC，并利用电化学工作站测试其抗氧化性和耐腐蚀性，循环伏安特性曲线未出现氧化还原峰，证明聚吡咯膜起到较好的抗氧化作用;通过交流阻抗法与Ag-IPMC做比较得出PPy-Ag-IPMC的耐腐蚀性能得到明显的提升。

关键词：IPMC;聚吡咯;循环伏安法;交流阻抗法;抗氧化性;耐腐蚀性

0 引言

离子聚合物金属复合材料（Ionic polymer-metal composites ，简称IPMC）是离子型电活性聚合物（ionic electroactive polymers，EAPs）的一种，当在其聚合物的厚度方向上通入幅值1～5V左右的驱动电压时会产生较大的弯曲形变。其具有易弯曲、重量轻、弹性较好、形变位移量大、较好的生物相容性等优良特点，这些性质与生物的肌肉十分相似故被称为人工肌肉，在水下仿生机器人、医学移动透镜等领域有着广泛的应用前景[1]。

传统的一个IPMC致动器是由较薄的一层阳离子交换聚合膜（多数为Nafion膜）和一对电极组成的，形状类似三明治的结构，通常IPMC使用铂或金等贵金属作为电极，为了降低成本同时提高电极的抗腐蚀能力，本文采用聚吡咯（PPy）与银（Ag）复合作为电极的方法制备PPy-Ag-IPMC。

利用电化学工作站并采用CV循环伏安法在1mol/L的LiCL溶液中测试PPy-Ag-IPMC的抗氧化性;在1mol/L的NaCl溶液中测试PPy-Ag-IPMC的塔菲尔曲线得到腐蚀速率并与经氧化还原法制备的Ag-IPMC作对比来证明其耐腐蚀性能。

1 PPy-Ag-IPMC的制备

1.1Nafion膜的预处理

将一块3×4cm大小的Nafion-117膜用800目砂纸打磨两面，保证Nafion膜的两面的粗糙度几乎一致并避免将基膜磨穿，再放入超声波清洗仪中震荡清洗15min去除细小颗粒，清洗后将Nafion膜先放入2mol/L的HCL中加热煮沸15min去除膜表面的金属微粒，再在双氧水中煮沸15min来去除膜上的油脂等杂质，最后经反复冲洗后放入蒸馏水中储存。

1.2主、次化学镀反应制备Ag-IPMC

将预处理后的Nafion膜放入0.25mol/L的NaOH溶液中在室温下浸泡30min使得Na+能够进入膜的内部，再将膜置于0.03mol/L的银氨（Ag（NH3）2OH）溶液中浸泡15h，使Ag（NH3）2+络合离子与膜内的Na+进行离子交换浸入膜内。使再然后往烧杯里慢慢滴加0.15mol/L的葡萄糖溶液并不断轻微搅拌，使得在溶液中发生银镜反应，在Nafion膜的表面覆盖一层均匀的银颗粒。

为使电极厚度增加，表面纳米银颗粒更加均匀，本文采用主、次化学镀的方法，其中次化学镀在银氨溶液中的浸泡时间为5小时，除此外其余步骤同主化学镀一致。

制备完成的Ag-IPMC放入超声波清洗仪中震荡清洗10min，去除与表面粘结不良的Ag颗粒，经蒸馏水反复冲洗后放入0.1mol/L的氯化锂溶液中储存。

Ag-IPMC的氧化还原法化学镀制备流程图如图1所示。

2 电化学聚合制备ppy

將Ag-IPMC作为工作电极、铂片电极作为辅助电极、饱和甘汞电极作为参比电极组成三电极体系并利用电化学工作站进行电化学聚合，电解液为0.1mol/L的吡咯和0.1mol/L的氯化锂，在实验之前要向溶液中持续通入氮气20min除去其中的氧气，电化学聚合采用循环伏安法（CV）分别在W（蒸馏水）和AN（乙腈与水的体积比为97：3）的溶剂中进行吡咯的电化学聚合，利用循环伏安法进行吡咯的电化学聚合，循环伏安法的具体参数设置为：电压范围为？0.2V～1V，扫描速率为0.05V/s，循环70段，即35个周期，CV产生图像如图2所示

将制备好的PPy-Ag-IPMC致动器用酒精和蒸馏水反复冲洗后储存在1mol/L的LiCl溶液中。

图2的CV循环伏安图的矩形区域与电容电流相关而斜率区域与法拉第电流的大小相关。然而，由于水的介电常数较高，在W溶液中进行电聚合，电容电流稍微高一些，即矩形区域较宽。在AN中吡咯的电聚合过程中产生了较高的法拉第感应电流，在电极与溶液的接触界面上的聚合反应速率更快，从而证实了该区域吡咯单体拥有更高的成核率和聚合速率。同时循环伏安特性曲线未出现氧化还原峰，证明聚吡咯膜起到较好的抗氧化作用，由此得到在AN溶液中进行聚合产生的PPy-Ag-IPMC致动器将会拥有更优的电化学性能。

2 PPy-Ag-IPMC的耐腐蚀性能测试

2.1IPMC的表面腐蚀原理

IPMC可应用于水下仿生机器人，如可用于海底资源勘探的仿生鱼，但在海水中存在着各种腐蚀介质，将会对IPMC的性能跟使用寿命产生不利的影响。判断耐腐蚀能力一般采用烟雾试验来进行，腐蚀速度的大小同样影响着IPMC的使用性能，经典的测试腐蚀速度的方法是失重法，但都有着试验周期长，且操作繁琐的缺点，而电化学方法快速简便且易于监控，因此本文利用电化学工作站进行腐蚀速率与耐腐蚀能力测试。并将PPy-Ag-IPMC相对于Ag-IPMC的性能进行对比。

本文通过以NaCl作为溶液的腐蚀介质来模拟海底仿生鱼的工作环境，分别以Ag-IPMC和PPy-Ag-IPMC作为工作电极，铂片电极作为辅助电极，氯化银电极作为参比电极，置于盛有1mol/L的NaCl的电解池中组成三电极体系进行实验，并对比两电极的耐腐蚀性。

2.2 IPMC耐腐蚀能力测试

利用电化学工作站的交流阻抗法进行致动器的耐腐蚀能力测试，三电极体系分布同腐蚀速率的测试相同，同样以1mol/L的NaCl溶液为电解液。使用OCTP功能得到初始电位即开路电位分别为0.015V和0.032V，低频为0.01Hz，高频为105Hz，振幅为0.005V，运行上述参数得到阻抗的对数与频率的对数的关系曲线如图3。

由图得到在整个测试频率范围内，PPy-Ag-IPMC的阻抗远远大于Ag-IPMC的阻抗，即聚吡咯显著提高了Ag-IPMC的耐腐蚀性能。

3.结论

通过主、次化学镀银制备Ag-IPMC，并利用循环伏安法分别在W溶液与AN溶液中进行电化学聚合，得出在AN溶液中制备的PPy-Ag-IPMC性能更优。

选择在电致动性能最优的条件制备的PPy-Ag-IPMC致动器和Ag-IPMC致动器在1mol/L的KCl溶液中使用循環伏安法测试抗氧化性。得出聚吡咯膜提高了Ag-IPMC的抗氧化性。

最后在1mol/L的NaCl溶液中测试塔菲尔曲线，得出PPy-Ag-IPMC的腐蚀电位大于Ag-IPMC的腐蚀电位，腐蚀速率小于Ag-IPMC的腐蚀速率，即聚吡咯膜使得Ag-IPMC耐腐蚀性能得到明显的提升。

参考文献：

[1]Kim K J， Tadokoro S. Electroactive Polymers for Robotic Applications： Artificial Muscles and Sensors[M]， Springer London， 2007.

[2]KIM K J， SHAHINPOOR M. Effect of the surface-electrode resistance on the actuation of ionic polymer-metal composite （IPMC） artificial muscles[J]. Proceedings of Spie， 1999， 3669 ： 308-319

[3]Terasawa N， Asaka K. Electrochemical and Electromechanical Properties of Activated Multi-walled Carbon Nanotube Polymer Actuator that Surpass the Performance of a Single-walled Carbon Nanotube Polymer Actuator ☆[J]， Materials Today Proceedings， 2016， 3： S178-S183.

[4]吴宗汉， 朱方铭， 罗曼. 聚苯胺防腐涂料的制备与应用[J]. 现代涂料与涂装， 2008年， 第11卷，第12期：34-37

作者简介：

赵鸿翔（1998-），男，山东省日照市人，在读本科生，专业为机械电子工程。