离子金属聚合物复合材料的电机械性能研究

论文摘要

IPMC（Ionic Polymer Metal Composites）是通过化学镀的方法在全氟磺酸膜（Nafion）两侧镀上贵金属形成的一种新型的智能材料。在低电压的驱动下，IPMC能产生一定的输出力和输出位移，在致动器、仿生材料、医学工程等方面有广阔的应用前景。IPMC虽然具有质量轻、耗能少等优点，但是其在低电压的输出力和输出位移较小，限制了其应用。本文做了以下工作来改善IPMC的性能。1、本文合成了磺酸化石墨烯单分子膜，并按不同质量比浇注了约200微米厚的石墨烯-全氟磺酸杂化膜，全反射红外衰减光谱监控了全部合成和掺杂过程。测试了与电致动性能相关的物理性能，结果表明：石墨烯掺杂后，离子交换膜的柔韧性、离子交换能力、含水量均得到了一定程度的提高。在杂化膜两侧利用化学还原沉积嵌入Pt纳米颗粒，制成离子交换聚合物金属复合材料。扫描电子显微镜观测表明：Pt纳米电极表面平整；颗粒较为精细、均匀；电极与基底膜结合紧密。引入低频正弦电信号，利用力和位移传感器测试其电致动性能。结果表明：杂化膜具有高度的电致形变性能；相同条件下，最大输出位移可增加2.12倍。2、采用苯乙烯做为初始原料，经过聚合反应、磺化反应、酰化反应、胺基化反应、硅氢化反应制备了具有高离子交换当量的高分子聚合物（SPS-PMHS），红外光谱和紫外光谱监控了合成过程。将SPS-PMHS以33.33%的含量掺杂在Nafion溶液中制成IPMC发现其输出位移明显降低。3、将多壁碳纳米管用咪唑基离子液体进行改性以提高其分散性，为代替Pt作为电极提供了可能性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 IPMC 材料的历史和性质简介
• 1.1.2 IPMC 材料的结构
• 1.1.3 IPMC 的致动机理
• 1.2 IPMC 智能驱动材料的国内外研究进展
• 1.2.1 含有添加剂的 Nafion 基膜
• 1.2.2 金属电极
• 1.2.3 基体膜的改进
• 1.2.4 IPMC 的应用
• 1.3 课题的来源和研究意义以及本文主要研究工作
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本课题的研究意义
• 1.3.3 本文的主要研究工作
• 第二章 掺杂磺化石墨烯 IPMC 薄膜制备和性能测试
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验试剂及仪器
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3. 磺酸化氧化石墨烯的制备
• 2.3.1 氧化石墨的制备
• 2.3.2 磺酸化氧化石墨烯的制备
• 2.4 浇铸 Nafion 基膜的实验步骤
• 2.4.1 Nafion 成膜原理
• 2.4.2 Nafion 薄膜的浇铸
• 2.4.3 Nafion 基膜的粗化预处理
• 2.4.4 离子吸附
• 2.4.5 主化学镀
• 2.4.6 次级化学镀
• 2.4.7 离子交换
• 2.5 IPMC 性能测试平台
• 2.5.1 信号发生模块
• 2.5.2 测试模块
• 2.5.2.1 位移测试模块
• 2.5.2.2 输出力测试模块
• 2.5.3 其它附属装置
• 2.6 Nafion 基膜和 IPMC 的力学性能测试和分析
• 2.6.1 氧化石墨和磺化石墨烯的 FTIR 结果和分析
• 2.6.2 Nafion 基膜的 ATR-FTIR 测试结果和分析
• 2.6.3 Nafion 基膜的离子交换当量的测试和分析
• 2.6.3.1 氢氧化钠溶液的标定
• 2.6.3.2 盐酸溶液的标定
• 2.6.3.3 离子交换当量的测定
• 2.6.4 SEM 测试结果和分析
• 2.6.5 输出位移的测试和结果分析
• 2.6.6 输出力的测试结果和分析
• 2.6.7 Nafion 基膜的力学性能测试
• 2.6.7.1 纳米压痕的相关概念
• 2.6.7.2 实验测试数据分析
• 2.6.8 含水量的测试
• 2.6.9 残余含水量
• 2.7 本章小结
• 第三章 SPS-PMHS 掺杂的 IPMC 的性能研究
• 3.1 实验原理
• 3.2 实验试剂及仪器
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 温度对磺化度的影响
• 3.3.2 反应时间对磺化度的影响
• 3.3.3 硫酸/PS 比值对磺化度影响
• 3.3.4 磺化度的标定
• 3.4 SPS-PMHS 掺杂的 IPMC 制备
• 3.4.1 SPS 掺杂的 Nafion 基膜的制备和 IPMC 的制备
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 FTIR 表征和分析
• 3.5.2 UV-Vis 表征和分析
• 3.5.3 SPS-PMHS 掺杂的 IPMC 的输出位移测试结果和分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 多壁碳纳米管的功能化改性
• 4.1 3-氨丙基咪唑离子液体改性碳纳米管
• 4.1.1 改性原理
• 4.1.2 实验试剂
• 4.1.3 实验仪器
• 4.3 实验步骤
• 4.4 实验结果和分析
• 4.4.1 红外分析
• 4.4.2 拉曼光谱分析
• 4.4.3 碳纳米管的分散性的分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 本文的主要工作和总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文