電活性聚合物國內(nèi)外綜述

【摘 要】研制出輕巧微型，靈活的驅(qū)動設備成為社會發(fā)展的必然趨勢，電致動器在這樣的大環(huán)境下應運而生。本文在電活性聚合物分類的基礎上說明了電致動器致動機理，并詳細概述了不同材料的性能差異與改進方式。

【關鍵詞】致動器;電活性聚合物;離子型電活性聚合物

一、引言

電活性聚合物（EAP）是一種在電場刺激下能發(fā)生尺寸或形狀變化的智能材料。在20世紀90年代后期，已經(jīng)證明一些電活性聚合物可以表現(xiàn)出高達380%的應變，這樣的響應效果優(yōu)于任何傳統(tǒng)的陶瓷致動器。

二、電活性聚合物分類

電活性聚合物根據(jù)其活化機理的不同可分為離子型和電子型兩大類[1]。電子EAP可以在高壓電場的作用下表現(xiàn)出彎曲形態(tài)。然而，電子EAP要求的初始電壓極高，甚至達到擊穿電壓。離子EAP是一種涉及離子遷移或擴散的材料。離子EAP的活化可通過低至1-2伏特的電壓進行，并且產(chǎn)生較大的位移。

三、電子型電活性聚合物

電子型電活性聚合物可細分為全有機復合材料、介電電活性聚合物、電致伸縮接枝彈性體、電致伸縮薄膜、電致粘彈性聚合物、鐵電聚合物以及液晶彈性體。其中介電彈性體近年受到廣泛關注因其具有柔軟且損耗小的特點。

四、離子型電活性聚合物

1.離子聚合物凝膠

水凝膠是指一類有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的新型材料[2]，常作為支撐材料應用于電致動器中。水凝膠按照來源及成分可分為合成水凝膠和純天然高分子水凝膠，在此主要介紹純天然高分子水凝膠。

純天然高分子水凝膠與合成水凝膠相比具有來源廣泛的優(yōu)點，在電致動器領域廣為應用。殼聚糖作為純天然高分子水凝膠在近幾年的研究中備受青睞。殼聚糖是一種天然聚合物，具有原料來源豐富，成本低廉，良好的生物降解性和生物相容性等特性[3]。

殼聚糖在作為支撐材料應用于電致動器時存在輸出力性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，我們需要添加交聯(lián)劑增強殼聚糖的性能。在過去的研究中發(fā)現(xiàn)戊二醛可以作為交聯(lián)劑[4]，但戊二醛是一種有毒物質(zhì)。部分學者基于這種情況提出了使用碳納米管（CNT）替代戊二醛作為交聯(lián)劑[5]，并且發(fā)現(xiàn)使用碳納米管修飾殼聚糖可以增強電致動器的電導率和機械性能[6]。

2.離子聚合物金屬復合材料（IPMC）

IPMC是一種重要的離子型聚合物材料，在20世紀90年代初期被發(fā)現(xiàn)[7]。它的驅(qū)動機理是在電場作用下水合陽離子向陰極移動造成陰極的擴大和陽極的收縮在宏觀上表現(xiàn)出彎曲的形態(tài)[8]。

典型的IPMC由一層離子聚合物膜和兩層金屬復合膜組成，金屬復合膜在離子聚合物膜的兩面由貴金屬（如金和鉑）化學鍍制成。離子聚合物可以分為氟化離子聚合物，非氟化離子聚合物，磷酸摻雜離子聚合物其中氟化離子聚合物的使用較為普遍。

IPMC需要的激活電壓低，彎曲變形大，在干濕條件下均可工作。因其具有這些特性，過去的許多年中IPMC在仿生機器人領域已經(jīng)得到了應用[9]。

傳統(tǒng)的IPMC使用金或鉑作為表面電極，價格十分昂貴，為了降低成本部分學者提出使用基于化學沉積法的鍍銀方法得到新型IPMC[10]。當IPMC被機械彎曲時會產(chǎn)生跨膜輸出電壓，因此也可以被應用于傳感器，執(zhí)行器。

3.導電聚合物

1987年人們首次證明了導電聚合物可以作為人工肌肉應用[11]。這類電致動器在通電的情況下伴隨著陽離子的插入或陰離子的移除，造成體積的增大或減小，導致形態(tài)彎曲。

這類致動器有不同的結(jié)構(gòu)，彎曲三層結(jié)構(gòu)是最常見并且最容易制備的，三層執(zhí)行器通常是由兩個聚合物層和一個被動層組成的“三明治”結(jié)構(gòu)[12]。最常用的聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩衍生物。

合成條件對導電聚合物的性能影響極高，拿聚吡咯來說，一般合成吡咯的方法有電化學合成和電沉積合成。相比較來說電化學合成聚吡咯的導電率最高，力學性能最好。同時也是最容易獲得的方法。

五、應用與展望

離子型電活性聚合物電致動器在過去的研究中已經(jīng)取得了極為可觀的成就，不過響應速率低，使用壽命短，響應不可逆仍然是其面臨的問題，超越原有的機械型致動器仍然是一個夢想。我們相信離子型EAP材料做電致動器仍具有無限的潛力與極大的空間等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

參考文獻：

[1]田素坤. 聚吡咯導電聚合物驅(qū)動器力學性能分析[D]. 南華大學，2016.

[2]陳麗如. 殼聚糖/聚乙烯醇溫敏性水凝膠給藥系統(tǒng)的研究[D]. 河北大學，2011.

[3]袁玥，錢本祥，凌新龍. 殼聚糖的改性研究進展及其應用[J]. 紡織科學與工程學報，2019，36（03）：81-88.

[4]Shang J，Shao Z，Chen X. Chitosan-based electroactive hydrogel[J]. Polymer，2008，49（25）：5520-5525.

[5]Electroactive materials：Polymer pincers[J]. NPG Asia Materials，2011.

[6]Zhao G，Yang J，Wang Y，et al. Preparation and electromechanical properties of the chitosan gel polymer actuator based on heat treating[J]. Sensors and Actuators A：Physical，2018，279：481-492.

[7]Oguro K. Bending of an ion-conducting polymer film-electrode composite by an electric stimulus at low voltage[J]. J. Micromachine Society，1992，5：27-30.

[8]宋丹. IPMC力電耦合關系中的分布式等效電路模型研究[D]. 南京航空航天大學，2017.

[9]Nakabo Y，Mukai T，Asaka K. Biomimetic soft robots using IPMC[M]//Electroactive Polymers for Robotic Applications. Springer，2007：165-198.

[10]陳騏. Ag 基 IPMC 柔性驅(qū)動器的制備及控制特性研究[D]. 南京航空航天大學，2009.

[11]黃美榮，李新貴. 導電聚合物的電化學機械性能及其致動器[J]. 材料科學與工程學報，2004（02）：304-307.

[12]Punning A，Kim K J，Palmre V，et al. Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications[J]. Scientific Reports，2014，4（1）.

作者簡介：

李函（2000-），女，黑龍江省黑河市人，在讀本科生，專業(yè)為食品科學與工程。

（作者單位：哈爾濱理工大學榮成學院）