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《河南省化學(xué)會2012年學(xué)術(shù)年會論文摘要集》2012年

二氧化硅/全氟磺酸雜化膜基離子交換電致動器

程瑜  位自英  郭東杰  方少明  

【摘要】：IPMC致動器是由離子交換膜(離子交換當(dāng)量:～0.95mmolH+/g)與嵌在膜兩側(cè)的惰性金屬(Pt、Au等)納米電極組成。用于離子交換的聚合物膜有全氟磺酸(PFSA,商業(yè)名為Nafion)或者全氟碳酸(PFCA,商業(yè)名為Flemion),這類薄膜內(nèi)部存在著固有的納米級微管道,電場下薄膜內(nèi)部水合陽離子的定向遷移宏觀上表現(xiàn)為IPMC的形變。目前,IPMC致動器有兩個(gè)缺點(diǎn):力輸出較低和非水工作時(shí)間較短。依據(jù)致動原理,力和位移輸出源于水合陽離子的遷移,故增加膜內(nèi)水的遷移密度可望解決上述難題。在實(shí)際試驗(yàn)中,IPMC置于空氣氣氛下工作,由于蒸發(fā)、電解(水的電解電壓為1.23V),水含量逐漸降低,以至于致動器不能工作。因此,提高水的含量和微管道密度對于提高其電致動性能非常重要。另外,全氟磺酸聚合物膜的機(jī)械性能較低,很難提供大的力輸出,故需增加膜的機(jī)械性能。本文目的是制備機(jī)械性能理想、保水能力強(qiáng)、成本低廉的離子交換膜,進(jìn)而制備力輸出大和非水工作時(shí)間長的離子交換電致動器。在本文中,研制了一種高多孔度、高模量的離子交換聚合物薄膜,并將之用于離子交換聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)致動器。利用全氟磺酸的酸性(PH=2.0),二氧化硅前體(四乙氧基硅)緩慢發(fā)生溶膠-凝膠反應(yīng),產(chǎn)生的無定形二氧化硅顆粒與強(qiáng)極性的全氟磺酸大分子共結(jié)晶,形成了一種有機(jī)-無機(jī)雜化膜。ATR-FTIR測試表明摻雜SiO2后薄膜的保水性能明顯提高。機(jī)械性能測試表明雜化膜的彈性模量和硬度約為商業(yè)膜的2倍。FESEM圖片顯示雜化膜有高度的多孔度,雜化膜的內(nèi)部存在著大量的直徑為100～300nm的微管道,多孔度增加了26.9%。在薄膜內(nèi)部,存在著大量的直徑為100～300nm的微管道。制成IPMC致動器后,較雜化前的致動器,其電致動性能增加了6～8倍;非水工作時(shí)間延長了6～7倍。

【作者單位】：鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院
【分類號】：TP273
【正文快照】：

01002003004005006007000.000.050.100.150.200.25Test1Test2Test3Froce/mNDisplacement/nma:PFSA01002003004005006007000.000.050.100.150.200.25Test1Test2Test3Froce/mNDisplacement/nmb:Si-PFSA圖1薄膜的力-位移曲線。(a)PFSA膜;(b)Si-PFSA膜二氧化硅/全氟磺酸雜化膜基

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