導(dǎo)電聚合物對銀基IPMC耐腐蝕性影響研究

趙鴻翔 劉甲奇 張佳玲 馬英杰

摘 要：通常IPMC（離子聚合物金屬復(fù)合材料）使用鉑或金等貴金屬作為電極，為了降低成本同時(shí)提高電極的抗腐蝕能力，采用聚吡咯（PPy）與銀（Ag）復(fù)合作為電極的方法制備PPy-Ag-IPMC，并利用電化學(xué)工作站測試其抗氧化性和耐腐蝕性，循環(huán)伏安特性曲線未出現(xiàn)氧化還原峰，證明聚吡咯膜起到較好的抗氧化作用;通過交流阻抗法與Ag-IPMC做比較得出PPy-Ag-IPMC的耐腐蝕性能得到明顯的提升。

關(guān)鍵詞：IPMC;聚吡咯;循環(huán)伏安法;交流阻抗法;抗氧化性;耐腐蝕性

0 引言

離子聚合物金屬復(fù)合材料（Ionic polymer-metal composites ，簡稱IPMC）是離子型電活性聚合物（ionic electroactive polymers，EAPs）的一種，當(dāng)在其聚合物的厚度方向上通入幅值1～5V左右的驅(qū)動電壓時(shí)會產(chǎn)生較大的彎曲形變。其具有易彎曲、重量輕、彈性較好、形變位移量大、較好的生物相容性等優(yōu)良特點(diǎn)，這些性質(zhì)與生物的肌肉十分相似故被稱為人工肌肉，在水下仿生機(jī)器人、醫(yī)學(xué)移動透鏡等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。

傳統(tǒng)的一個IPMC致動器是由較薄的一層陽離子交換聚合膜（多數(shù)為Nafion膜）和一對電極組成的，形狀類似三明治的結(jié)構(gòu)，通常IPMC使用鉑或金等貴金屬作為電極，為了降低成本同時(shí)提高電極的抗腐蝕能力，本文采用聚吡咯（PPy）與銀（Ag）復(fù)合作為電極的方法制備PPy-Ag-IPMC。

利用電化學(xué)工作站并采用CV循環(huán)伏安法在1mol/L的LiCL溶液中測試PPy-Ag-IPMC的抗氧化性;在1mol/L的NaCl溶液中測試PPy-Ag-IPMC的塔菲爾曲線得到腐蝕速率并與經(jīng)氧化還原法制備的Ag-IPMC作對比來證明其耐腐蝕性能。

1 PPy-Ag-IPMC的制備

1.1Nafion膜的預(yù)處理

將一塊3×4cm大小的Nafion-117膜用800目砂紙打磨兩面，保證Nafion膜的兩面的粗糙度幾乎一致并避免將基膜磨穿，再放入超聲波清洗儀中震蕩清洗15min去除細(xì)小顆粒，清洗后將Nafion膜先放入2mol/L的HCL中加熱煮沸15min去除膜表面的金屬微粒，再在雙氧水中煮沸15min來去除膜上的油脂等雜質(zhì)，最后經(jīng)反復(fù)沖洗后放入蒸餾水中儲存。

1.2主、次化學(xué)鍍反應(yīng)制備Ag-IPMC

將預(yù)處理后的Nafion膜放入0.25mol/L的NaOH溶液中在室溫下浸泡30min使得Na+能夠進(jìn)入膜的內(nèi)部，再將膜置于0.03mol/L的銀氨（Ag（NH3）2OH）溶液中浸泡15h，使Ag（NH3）2+絡(luò)合離子與膜內(nèi)的Na+進(jìn)行離子交換浸入膜內(nèi)。使再然后往燒杯里慢慢滴加0.15mol/L的葡萄糖溶液并不斷輕微攪拌，使得在溶液中發(fā)生銀鏡反應(yīng)，在Nafion膜的表面覆蓋一層均勻的銀顆粒。

為使電極厚度增加，表面納米銀顆粒更加均勻，本文采用主、次化學(xué)鍍的方法，其中次化學(xué)鍍在銀氨溶液中的浸泡時(shí)間為5小時(shí)，除此外其余步驟同主化學(xué)鍍一致。

制備完成的Ag-IPMC放入超聲波清洗儀中震蕩清洗10min，去除與表面粘結(jié)不良的Ag顆粒，經(jīng)蒸餾水反復(fù)沖洗后放入0.1mol/L的氯化鋰溶液中儲存。

Ag-IPMC的氧化還原法化學(xué)鍍制備流程圖如圖1所示。

2 電化學(xué)聚合制備ppy

將Ag-IPMC作為工作電極、鉑片電極作為輔助電極、飽和甘汞電極作為參比電極組成三電極體系并利用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)聚合，電解液為0.1mol/L的吡咯和0.1mol/L的氯化鋰，在實(shí)驗(yàn)之前要向溶液中持續(xù)通入氮?dú)?0min除去其中的氧氣，電化學(xué)聚合采用循環(huán)伏安法（CV）分別在W（蒸餾水）和AN（乙腈與水的體積比為97：3）的溶劑中進(jìn)行吡咯的電化學(xué)聚合，利用循環(huán)伏安法進(jìn)行吡咯的電化學(xué)聚合，循環(huán)伏安法的具體參數(shù)設(shè)置為：電壓范圍為？0.2V～1V，掃描速率為0.05V/s，循環(huán)70段，即35個周期，CV產(chǎn)生圖像如圖2所示

將制備好的PPy-Ag-IPMC致動器用酒精和蒸餾水反復(fù)沖洗后儲存在1mol/L的LiCl溶液中。

圖2的CV循環(huán)伏安圖的矩形區(qū)域與電容電流相關(guān)而斜率區(qū)域與法拉第電流的大小相關(guān)。然而，由于水的介電常數(shù)較高，在W溶液中進(jìn)行電聚合，電容電流稍微高一些，即矩形區(qū)域較寬。在AN中吡咯的電聚合過程中產(chǎn)生了較高的法拉第感應(yīng)電流，在電極與溶液的接觸界面上的聚合反應(yīng)速率更快，從而證實(shí)了該區(qū)域吡咯單體擁有更高的成核率和聚合速率。同時(shí)循環(huán)伏安特性曲線未出現(xiàn)氧化還原峰，證明聚吡咯膜起到較好的抗氧化作用，由此得到在AN溶液中進(jìn)行聚合產(chǎn)生的PPy-Ag-IPMC致動器將會擁有更優(yōu)的電化學(xué)性能。

2 PPy-Ag-IPMC的耐腐蝕性能測試

2.1IPMC的表面腐蝕原理

IPMC可應(yīng)用于水下仿生機(jī)器人，如可用于海底資源勘探的仿生魚，但在海水中存在著各種腐蝕介質(zhì)，將會對IPMC的性能跟使用壽命產(chǎn)生不利的影響。判斷耐腐蝕能力一般采用煙霧試驗(yàn)來進(jìn)行，腐蝕速度的大小同樣影響著IPMC的使用性能，經(jīng)典的測試腐蝕速度的方法是失重法，但都有著試驗(yàn)周期長，且操作繁瑣的缺點(diǎn)，而電化學(xué)方法快速簡便且易于監(jiān)控，因此本文利用電化學(xué)工作站進(jìn)行腐蝕速率與耐腐蝕能力測試。并將PPy-Ag-IPMC相對于Ag-IPMC的性能進(jìn)行對比。

本文通過以NaCl作為溶液的腐蝕介質(zhì)來模擬海底仿生魚的工作環(huán)境，分別以Ag-IPMC和PPy-Ag-IPMC作為工作電極，鉑片電極作為輔助電極，氯化銀電極作為參比電極，置于盛有1mol/L的NaCl的電解池中組成三電極體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對比兩電極的耐腐蝕性。

2.2 IPMC耐腐蝕能力測試

利用電化學(xué)工作站的交流阻抗法進(jìn)行致動器的耐腐蝕能力測試，三電極體系分布同腐蝕速率的測試相同，同樣以1mol/L的NaCl溶液為電解液。使用OCTP功能得到初始電位即開路電位分別為0.015V和0.032V，低頻為0.01Hz，高頻為105Hz，振幅為0.005V，運(yùn)行上述參數(shù)得到阻抗的對數(shù)與頻率的對數(shù)的關(guān)系曲線如圖3。

由圖得到在整個測試頻率范圍內(nèi)，PPy-Ag-IPMC的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ag-IPMC的阻抗，即聚吡咯顯著提高了Ag-IPMC的耐腐蝕性能。

3.結(jié)論

通過主、次化學(xué)鍍銀制備Ag-IPMC，并利用循環(huán)伏安法分別在W溶液與AN溶液中進(jìn)行電化學(xué)聚合，得出在AN溶液中制備的PPy-Ag-IPMC性能更優(yōu)。

選擇在電致動性能最優(yōu)的條件制備的PPy-Ag-IPMC致動器和Ag-IPMC致動器在1mol/L的KCl溶液中使用循環(huán)伏安法測試抗氧化性。得出聚吡咯膜提高了Ag-IPMC的抗氧化性。

最后在1mol/L的NaCl溶液中測試塔菲爾曲線，得出PPy-Ag-IPMC的腐蝕電位大于Ag-IPMC的腐蝕電位，腐蝕速率小于Ag-IPMC的腐蝕速率，即聚吡咯膜使得Ag-IPMC耐腐蝕性能得到明顯的提升。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

趙鴻翔（1998-），男，山東省日照市人，在讀本科生，專業(yè)為機(jī)械電子工程。