[发明专利]一种基于金铂复合电极的全氟磺酸人工肌肉的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于金铂复合电极的全氟磺酸人工肌肉的制备方法，包括如下步骤：1、Nafion薄膜的前处理过程；2、制备金属铂电极过程；3、Nafion薄膜的离子交换过程；4、制备金属金电极过程。本发明基于金铂复合电极的全氟磺酸人工肌肉的制备方法，采用醇辅助化学镀铂加磁控溅射金的方法，在Nafion薄膜表面制备均匀且致密的金铂复合电极，其人工肌肉的性能优异，在8V电压下，Nafion人工肌肉尖端的最大位移量为15.6mm。

技术领域

本发明涉及新型智能材料技术领域，特别涉及一种基于金铂复合电极的全氟磺酸人工肌肉的制备方法。

背景技术

人工肌肉通常是指能够在外界物理或化学刺激下(机械应力、电、磁、热、光、生物电、分解反应等)发生伸缩、膨胀、弯曲、扭转等运动并对外做功的柔性材料或器件，比如形状记忆材料、压电材料、电活性聚合物、光致变形材料、气动软体驱动器等。目前发展较早的人工肌肉为流体压力人工肌肉，主要有气动型人工肌肉和液压型人工肌肉两种类型，他们都是通过弹性体腔内流体的压力迫使弹性体壁在期望的方向上产生变形。由于这两种人工肌肉都需要例如气泵、液泵等体积较大的负载，这对人工肌肉轻量化、易于安装等需求产生了很大的影响，因此限制了人工肌肉的实际应用。

随着十多年来科技的快速发展，一系列智能材料在聚合物材料的发展基础上被研发出，这些特殊的智能材料为人工肌肉的研究奠定了研究基础，其中，电活性聚合物作为智能材料的一种，当受到外界电压的刺激就会发生弯曲的现象，这种弯曲现象随着电压刺激的结束而消失，恢复到初始状态，由于这种智能材料有很好的生物相容性，可以很大程度模拟真实人体的肌肉纤维，所以其在人工肌肉的研发中有着至关重要的作用，应用前景广泛。

电活性聚合物分为电子型电活性聚合物和离子型电活性聚合物。其中，电子型电活性聚合物需要在较高(约几千伏)的电压下才能产生形变，具有安全隐患，因此不适合应用于人工肌肉中。离子型电活性聚合物是在离子交换薄膜上镀上一层金属电极形成的，在较低的电压下，离子交换薄膜内的离子迁移或分散作用即可以诱导材料发生弯曲形变。其中，离子聚合物-金属复合物(IPMC)在较低的驱动电压下即能产生较大的位移变形，而且其能量密度高、质量轻便、容易加工剪裁，因此非常适用于人工肌肉的开发。全氟磺酸(Nafion)离子交换膜是一类典型的IPMC，当对Nafion膜施加电压时，膜内的阳离子会向阴极移动，同时带动水分子向阴极移动，使阴极溶胀且阳极缩水，薄膜产生向阳极弯曲的变形。

然而，目前基于Nafion膜的人工肌肉材料的缺点还有很多，如金属电极与离子交换膜接触较差、工作时间较短等，这严重阻碍了Nafion人工肌肉的应用发展。为了提高Nafion人工肌肉的性能，本发明采用醇辅助化学镀铂加磁控溅射金的方法，制备了具有致密、均匀的复合金属电极且工作时间较长的Nafion人工肌肉。

发明内容

本发明的研究目的在于克服Nafion人工肌肉金属电极与Nafion膜接触较差、工作时间较短的不足，而提供一种基于金铂复合电极的全氟磺酸人工肌肉的制备方法，本发明选择稳定性较高的金属铂和金属金为电极，制备一种高性能电驱动的人工肌肉。

本发明提供的一种基于金铂复合电极的全氟磺酸人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：

一、对Nafion膜进行前处理

选用杜邦公司生产的Nafion 117离子交换膜(厚度约为190微米)，将其裁剪成长50mm，宽50mm的正方形小片。将透明的Nafion薄膜浸泡在100mL质量分数为4-6％的过氧化氢水溶液中3-5小时，然后将浸泡好的Nafion薄膜取出，将其浸泡在去离子水中加热煮沸1小时。将Nafion薄膜浸泡在100mL质量分数为4-6％的硫酸溶液中3-5小时，然后将Nafion薄膜浸泡在去离子水中加热煮沸1小时；

Nafion薄膜经过以上的前处理过程后，自身充分地吸水溶胀，并且会呈现出柔软的透明状；

二、制备金属铂电极