[发明专利]离子聚合物装置及其制备的方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2006年1月23日提交的美国临时申请60/761175的优先权， 通过参考将对整体内容引入。

技术领域

本发明涉及新型离子聚合物装置结构以及制备能够被配置作为致动器 (actuator)、传感器和转换器的离子聚合物装置的新方法。

背景技术

离子聚合物或离聚物复合材料是新型电活性聚合物和功能性智能材料之 一，它可以被制成软性弯曲的致动器和传感器。该材料最初被制造用于燃料电 池应用，直到1992年才发现其独特的仿生传感-致动性能(biomimetric sensing-actuating properties)。典型的离聚物致动器/传感器元件包括位于中间的 约200μm厚的薄聚电解质离聚物膜和位于相对两表面上的每金属层5-20μm厚 的电镀金属层。通常由全氟磺酸聚合物()或全氟羧酸聚合物() 制得离聚物膜。这些离聚物膜具有憎水性氟碳主链和亲水性侧链，所述亲水性 侧链在存在溶剂例如水、有机溶剂或离子液体时形成相互连接的簇。亲水性侧 链可以包括但不限于确定的阴离子，例如-SO₃^-和-COO^-。通过特定阳离子或各 种阳离子的组合，中和离子聚合物。适合的阳离子包括碱金属，例如Li⁺、Na⁺、 K⁺、Rb⁺和Cs⁺，以及有机阳离子例如烷基铵。

当对离子聚合物致动器施加电压时，未键合的阳离子能够通过溶剂移入簇 中或从簇中移出，在离子聚合物内重新分布以形成阳极和阴极界面层。通过弹 性阻力平衡的静电力和渗透压力的变化促使溶剂进入界面层簇或从界面层簇 中移出，并且引起在该界面层上的相互连接簇的体积变化。这种体积变化导致 致动器的变形或弯曲。电荷分布和吸水量的变化可以通过相关联的化学-电-机 械公式来计算。

由于离子聚合物材料的紧凑的尺寸、轻的重量和由所制得的材料切割成任 意形状的能力，它提供显著优于常规的机电材料和系统的优点。所制造的装置 仅要求适合的操作电压。离子聚合物致动器能够通过产生大的弯曲变形来响应 小的电刺激，而离子聚合物传感器通过产生电信号来响应机械变形(或振动)。 离子聚合物的突然弯曲产生小的电压(在mV的范围内)。此外，通过改变微 结构、电输入、阳离子组成以及溶剂的类型和量，能够设计致动/传感功能。 该材料是生物相容的，并且能够在各种溶剂中进行操作。它可以被开发以提供 用于生物医学和机器人应用的新型自组装材料体系。

能够影响基于离子聚合物的传感器/致动器的相关联的化学-电-机械响应 的许多因素之一是电极形貌和有效电容。在离子聚合物装置上形成电极的传统 制备方法包括：首先使已经固化的聚合物膜的表面粗糙并且进行清洗；使能够 进行化学还原的物质从聚合物表面上被吸收；以及还原所吸收的物质以形成电 极。它通常需要重复吸收和还原步骤以使更多的物质扩散到离子聚合物膜中， 从而需要过长且昂贵的过程。然而，物质扩散进入聚合物膜中仍限制于从膜表 面小于约20微米。不仅制备过程昂贵，而且离子聚合物致动器/传感器的性能 也受到导电材料的扩散限制的影响。

发明概述

本发明的目的是提供新型的离子聚合物装置或离子聚合物致动器/传感 器，以及允许更为简单、便宜和快速制备过程的制备技术。该制备方法通过在 聚合物相和导电相或电极之间产生大的界面面积来提高离子聚合物装置的电 容，从而改善其致动性能和灵敏度。

本发明的方法和装置各自具有几个方面，并且每个方面不仅只负责其所需 要的特性。不限于本发明的范围，将简要讨论更为显著的特征。

本发明的一个实施方式提供一种离子聚合物装置，其包括两个延伸的电极 层、在两个延伸的电极层之间的离子聚合物介电层以及在两个延伸的电极层的 外表面上的至少一层导电层，所述电极层含有许多导电颗粒，其中所述许多导 电颗粒在两个延伸的电极层的每个电极层中形成浓度梯度。

另一实施方式提供一种离子聚合物装置，其包括在两个相对表面上的具有 许多表面形貌(surface feature)的聚合物复合物以及在所述两个相对表面的每 个表面上的至少一层导电层。