[发明专利]sMWCNT/PEG/Nafion复合电解质膜及其制备方法和应用

说明书

【技术领域】

本发明属于离子聚合物-金属复合材料制备技术领域，具体涉及sMWCNT/PEG/Nafion复合电解质膜及其制备方法和应用。

【背景技术】

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种兼具传感和致动功能的新型智能材料。IPMC材料具有质量轻、柔韧性好、响应速率快和生物相容性良好等优点，在较低电压下(一般低于3V)就能产生较大的弯曲形变，能够用于制作微、小型致动器，在仿生工程、医疗器械和航空航天等领域具有广泛的应用潜力。

IPMC材料主要是由上下两层贵金属电极层(如Pd)和芯层电解质膜(如Nafion膜)组成一种三明治结构复合材料。大量研究发现，IPMC材料的芯层电解质膜的性能(如离子交换当量，质子电导率，弹性模量和含水量)对其电化学性能和机电性能具有至关重要的影响作用，因此，有些研究人员已经在改进IPMC材料的芯层基底膜特性方面做了大量工作。如美国Kim等人最早采用聚合物溶液浇铸法获得不同厚度的Nafion膜来制备不同厚度的IPMC，为IPMC基底薄膜的改性提供了方法，研究发现，随着厚度的增加发现IPMC的输出力获得大幅增加，但输出位移有所减小(Kim K J,Shahinpoor M.A novel method manufacturing three-dimensional ionic polymer-metal composites(IPMC)biomimetic sensors,actuators and artificial muscles.Polymer,2002,43:797-802)，Nguyen发展了采用连续浇铸法制备了多层Nafion膜，每层均由纳米颗粒增强，两侧的两层为蒙脱石、银纳米粉增强的Nafion膜，中间层为二氧化硅增强的Nafion膜，很好地提高了IPMC的机电性能(Nguyen V K,Yoo Y T.A novel design and fabrication of multilayered ionic polymer-metal composite actuators based on Nafion/layered silicate and Nafion/silica nanocomposites.Sensors and Actuators B,2007,123:183-190)，Lee等也通过连续浇铸法制备了三层Nafion膜，每层通过功能化的纳米材料增强，两侧的两层为聚吡咯/氧化铝增强的Nafion膜，中间层为樟脑磺酸复合的Nafion膜，得到了性能优异的IPMC驱动器(Lee J W,Yoo Y T,Lee J Y.Ionic polymer-metal composite actuators based on triple-layered polyelectrolytes composed of individually functionalized layers.ACS Applied Materials&Interface,2014,6(2):1266-1271)，熊克等把纳米碳酸钡添加到Nafion芯层中，很好地改善了IPMC的介电特性和机电性能(Kan Bian,et al.Enhanced Actuation Response of Nafion-Based Ionic Polymer Metal Composites by Doping BaTiO₃Nanoparticles J.Phys.Chem.C 2016,120,12377-12384.

虽然上述研究都很好地改善了IPMC材料的机电特性，但是当前的IPMC材料依然存在于空气中工作不稳定，出现松弛现象，使其难以满足实际工程应用要求，另外，目前IPMC高昂的制备成本也在异地能高程度上限制了其应用推广。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种sMWCNT/PEG/Nafion复合电解质膜及其制备方法和应用，该方法可以制备出在空气中工作稳定的IPMC材料。

本发明材料通过以下技术方案来实现：

在该复合电解质膜中，按质量百分数计，sMWCNT占0.5～1.0％，PEG占4.5～19.5％，Nafion占80～95％。

本发明制备方法通过以下技术方案来实现：包括以下步骤：

(1)以sMWCNT、PEG和Nafion分散液为原料，加入到溶剂中得到铸膜液；其中，按质量百分数计，sMWCNT占0.5～1.0％，PEG占4.5～19.5％，Nafion占80～95％；