TEOS-GO掺杂的银基离子聚合物金属复合材料的制备及其致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的电驱动软材料,具有质量轻、驱动电压低的优点,但也存在输出力较小、驱动时间短的缺点,限制了其应用前景。提出了一种在基膜内掺杂硅酸乙酯-氧化石墨烯(TEOS-GO)以提高保水性和驱动能力的银基IPMC,通过对纯Nafion IPMC与TEOS-GO/Nafion IPMC致动器的含水量、尖端位移、输出力和稳定性等参数的测试,证实优化后IPMC的驱动性能有明显的提升。实验结果表明,掺杂质量分数1.5%TEOS-GO的IPMC在3 V直流电压下,尖端位移达到16.579 mm,相当于纯Nafion IPMC的3.37倍;输出力最高达到0.439 gf(1 gf=9.8 mN),是纯Nafion IPMC的5倍。这种改进方式弥补了IPMC用于致动器的缺点,为今后的发展开拓了前景。

基于CMWCNT/Nafion的增强型离子聚合物金属复合材料的制备及致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的电活性材料,具有体积小、质量轻、驱动电压低等优点,但驱动力小、稳定工作时间短等问题限制着其柔性致动性能。提出了一种基于银基IPMC的增强型致动器,通过在IPMC的基底聚合物中掺杂羧基化多壁碳纳米管(CMWCNT),来提高IPMC的整体机械性能和致动性能。其中,掺杂质量分数0.5%CMWCNT的IPMC的最大尖端位移和驱动力分别增加至未优化银基IPMC的1.60倍与2.32倍,该性能的提升归因于CMWCNT良好的导电性和羧基对水合阳离子迁移的加速作用。与未优化的银基IPMC相比,掺杂质量分数0.5%CMWCNT时IPMC驱动速率可提升至3.57倍。研究结果可为IPMC在各领域的应用发展提供参考。

不同金属离子条件下微生物对聚合物溶液黏度的影响及作用机制

为了减少采油过程中因为金属离子导致的聚合物黏损,从而提高原油采收率,利用从大庆油田腐蚀管道筛选出的降黏菌S,通过向聚合物培养基中添加不同种类及浓度的金属离子,将降黏菌S对聚合物黏度的影响及作用机制进行了研究。结果表明:在2 000 mg/L的聚合物质量浓度下,向基础降黏培养基中加入10~50 mg/L的金属离子,Mn^(2+)、Fe^(2+)和Fe^(3+)的加入可以很大程度地提高降黏菌S的降黏率,最高黏损率分别为38.3%、35.6%、34.7%;K~+的加入对降黏菌S的降黏率影响不大;Cu^(2+)、Zn^(2+)的加入会降低菌S所引起的黏损;因此要控制采油体系中Mn^(2+)、Fe^(2+)和Fe^(3+)的含量,从而降低聚合物黏损;K~+离子含量也不宜太多。适当增加采油体系中Zn^(2+)、Cu^(2+),减少聚合物黏损,或者将6种离子均以质量浓度30 mg/L混合加入会降低聚合物黏损。研究成果对油田减少聚合物黏损,提高原油采收率提供了一定的方法和理论支撑。

离子聚合物-金属复合物发展综述

介绍了一种新型智能材料离子聚合物-金属复合物,概述了其特性和致动机理,引述了离子聚合物-金属复合物在微特作动器中一些应用实例,最后展望了离子聚合物-金属复合物在未来的发展前景。

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)柔性电极的研究进展

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种电活性的智能软材料,由离子交换薄膜及其上下表面的柔性电极组成,其中柔性电极的优异性能对于提升IPMC的驱动和传感性能至关重要。目前专门针对IPMC传感的电极研究相对较少,而适用于IPMC驱动的电极一般也满足其传感的电极要求,因此本文从IPMC柔性电极的材料筛选、制备和柔性电极对驱动性能的提升策略方面综述了IPMC柔性电极的国内外研究进展。首先,简单概述了IPMC智能软材料的组成及其驱动、传感机理;其次,归纳整理了IPMC电极材料的种类和各类电极材料面临的问题,如金属电极易疲劳开裂且比电容较低的问题,导电聚合物电极的电导率较低等问题;最后,重点综述了改性柔性电极在提升IPMC驱动性能方面的研究进展并展望了其发展趋势,理想的IPMC柔性电极应兼具较高的电导率、较大的比电容和优异的稳定性特点,以期为IPMC智能软材料的开发和应用提供参考。

基于团簇微观结构分析的离子电活性聚合物驱动特性

首先,对离子交换膜吸附水分子微观过程进行分析,并结合团簇结构揭示离子电活性聚合物的传质动力学特性;其次,基于溶胀理论研究团簇受力情况,依据几何变形特点和变形传质机理建立物理模型;最后,对得到的驱动模型进行验证和分析讨论。研究结果表明:本文模型所得结果和实验结果较吻合。含水量对离子交换膜团簇通道的形成有重要影响,阳离子的迁移以及水分子运动是离子交换膜驱动的主控因素。随着阳离子浓度和水分子浓度增加,静水压力、渗透压力以及静电压力均逐渐增大,渗透压力对离子电活性聚合物弯曲变形起主导作用。

配制水阳离子变化对聚合物溶液黏度的影响

聚合物溶液的黏度是影响其驱油效果的重要指标。由于水源更换导致整体水质改变,对某采油厂聚合物配制影响较大。为研究水质变化对配制聚合物溶液黏度的影响,通过检测分析某采油厂三座配制站现场水和三处水源地水质情况,以及对比现场清水与模拟水配制的聚合物溶液初始黏度及厌氧放置90天的黏度保留率,确定配制水金属阳离子含量及矿化度升高,是导致生产现场聚合物溶液黏度下降的主要原因。通过对比不同浓度金属阳离子溶液配制的聚合物溶液黏度,得出金属阳离子对现场聚合物溶液黏度的影响顺序为Fe^(2+)>Fe^(3+)>Mg^(2+)>Ca^(2+)>Na^(+)>K^(+),生产中应确保Fe^(2+)含量最高不超过0.5mg/L,Fe^(3+)含量最高不超过2mg/L。在仅考虑Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)含量的条件下,结合正交实验,确定三处水源地的来水配比约为5:1:4时,配制的聚合物溶液黏度可恢复至水质改变前的水平。

基于离子聚合物金属复合结构(IPMC)的柔性致动器研究

介绍了基于离子聚合物金属复合结构(IPMC)的柔性致动器的制备方法和关键技术,分析了致动机理。针对所构造的致动器样本,初步研究了其机电特性。研究结果表明,该制动器具有结构简单、驱动电压低、相对变形量大、重量轻等优点,在泳动仿生微机器人推进和生物医学应用方面具有较大的潜力。

离子聚合物金属复合材料驱动器在机器人中的应用进展

离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal composites,IPMC)作为一种特点突出?性能优良的软体智能材料,具有极高的研究和实用价值,受到了国内外研究人员的广泛关注。基于此,对IPMC驱动器的基本原理、结构组成,及其在机器人领域中的应用现状进行了总结,重点分析新近出现的离子交换薄膜和复合电极材料的特性及其对IPMC性能的影响,概括IPMC驱动器的成膜、镀层和封装等制备工艺的发展现状。深入分析面向数字化控制应用的IPMC驱动器建模方法和控制策略的理论研究进展,并在综合探讨IPMC驱动器所面临的技术挑战基础上,对其在机器人领域的应用前景进行展望。

离子聚合物金属复合材料电致动模型研究

离子聚合物金属复合材料(ionic polymer-metal composites,IPMC)是一种新型电致形变高分子材料,具有广阔应用前景。为了有效描述IPMC的形变规律,基于IPMC致动原理提出了一种电致动模型。建立了阶梯电压下IPMC膜内水合阳离子的力平衡方程,由水合阳离子的浓度分布及水分子的扩散计算得出水分子的浓度以及含水量分布,结合实验所确定的含水量和应变的关系从而确定IPMC沿厚度方向的应变分布。该计算方法适用于不同形状的IPMC致动器。以悬臂梁IPMC致动器为例,通过应变分布计算得到IPMC致动器在阶跃电压下的输出弯矩和相应的位移响应,模拟结果与实验结果的瞬时响应规律高度一致,证明该模型正确。该模型的建立为IPMC结构驱动一体化设计奠定了坚实的基础。

离子液体型离子聚合物金属复合材料的封装及变形性能

针对水基离子聚合物金属复合材料(IPMC)在空气中性能不稳定且存在松弛变形这一问题,使用离子液体替代水作为IPMC内部溶剂,采用光固化材料对该材料进行表面封装,测试水基IPMC和离子液体型IPMC封装前后的驱动性能,对比水基IPMC和离子液体型IPMC在空气中的长期稳定性能。实验结果表明:在2V电压驱动下,离子液体型IPMC的松弛变形消失,输出力和位移虽有所减小,但该类型IPMC可以承受高的驱动电压;在8 V电压作用下,离子液体型IPMC封装后的材料变形为12mm,输出力达到0.8mN;封装后的离子液体型IPMC的整体质量基本维持不变,驱动性能基本稳定,满足在空气中长期使用的要求。

离子聚合物-金属复合材料(IPMC)的电极界面研究进展

离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal composites,IPMC)是一种新型的智能材料,由于其具有良好的机电转换能力且本体柔软,可以制作成多种驱动器和传感器,因而在各个领域中展示出巨大的应用潜力。这种材料的机电性能受多种因素影响,其电极界面是重要影响因素之一。文章回顾了近几年来国内外针对IPMC材料的界面电极特性所做的研究工作,归纳了优化电极界面的主要措施,并提出一种有效提高IPMC材料电极界面的制备工艺设计思路。

离子印迹聚合物回收关键稀散金属的研究进展

关键稀散金属对世界各国的高科技和未来能源的发展具有十分重要的作用,而且稀散金属的储量相对稀少且地域分布高度不均,因此关键稀散金属回收的战略意义不言而喻。传统的回收方法具有分离效率高、应用范围广、适应性强等优点,但存在环境污染大和工艺成本高的缺点。离子印迹回收法有传质阻力小、吸附量大、模板易去除、吸附速率快、重复使用性良好等优点,离子印迹聚合物吸附材料对模板离子具有强识别能力,对其可实现高选择吸附。从合成原理、反应原料、制备工艺方法等方面对离子印迹聚合物吸附材料近期研究进展进行了概述。重点从目标离子和载体材料这两方面,总结和分析了离子印迹聚合物吸附材料的最新进展和当前发展中所遇到的问题,并对离子印迹法回收关键稀散金属的发展趋势和前景进行了展望。

离子聚合物-金属复合材料的理论建模研究现状

离子聚合物-金属复合材料IPMC(Ionic polymer-metal composite)是一种新型的智能材料,在航天航空、生物医学、仿生机械等领域具有广阔的应用前景。简单介绍了IPMC材料及其性能特点,综述了基于IPMC材料工作机理的理论模型以及从IPMC实际应用角度出发的等效模型的研究现状,并对两种模型进行了比较。其中理论模型可以直观地分析IPMC的性能,但是模型参数多且结构复杂,不易掌握;等效模型简易实用,但是精度不高,扩展性差。指出了IPMC建模研究未来的发展趋势。

离子聚合物金属复合材料的力电耦合模型

提出了一种基于不可逆热力学和纯弯曲理论的力电耦合模型,以描述和预测离子聚合物金属复合材料的力电特性.力电耦合模型的表达形式可简化为含有两个驱动力(电场E和压力梯度▽p)的线性等式,主要依据离子传输、电场作用和弹性变形之间的耦合关系预测IPMC的力电特性;采用纯弯曲理论近似描述了IPMC的受力特征,这个力电耦合模型可解释IPMC材料的驱动特性和传感特性,能较好地预测IPMC在直流激励下响应,误差在-7%以内.

有机共轭聚合物荧光材料在重金属离子检测中的应用研究进展

有机荧光共轭聚合物含有离域大π键,电子或能量可以在共轭聚合物主链上快速迁移,这一“分子导线”性质可使荧光信号成倍增大。此外,有机荧光共轭聚合物还具有较大的斯托克位移、良好的稳定性、较高的摩尔消光吸收系数等优点。通过合理设计,将金属离子识别基团键合至有机荧光共轭聚合物,得到的有机共轭聚合物荧光材料比小分子荧光材料更具优势。有机共轭聚合物荧光材料有多种合成方法,从反应合成类型的角度,结合设计理念、传感应用及检测机理等,综述了近年来有机共轭聚合物荧光材料应用于重金属离子检测的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。

钯型离子聚合物-金属复合材料的制备工艺参数优化研究

主要研究钯电极型离子聚合物-金属复合材料(Pd-ionic polymer-metal composite,Pd-IPMC)的制备工艺。以增加Pd-IPMC的电致动位移为优化目标,采用正交优化方法,针对浸泡还原镀和化学镀两个核心步骤进行了参数优化,探索了主要工艺参数对材料电致位移的影响规律。实验结果给出了工艺参数的优化值,以及这些参数对材料性能的影响水平和效应曲线。由优化后工艺参数制备的Pd-IPMC性能较优化前有显著提高,且优于ERI公司商业化的IPMC。研究结果充分验证了Pd作为IPMC电极的可行性,解决了现有Pd-IPMC材料致动性能不理想的难题,对于制备低成本、大变形的IPMC材料,并促进其工程应用具有重要意义。

以磺化聚酰亚胺为基材的离子聚合物金属复合材料

以磺化聚酰亚胺(SPI)作为离子聚合物金属复合材料(IPMC)的基体材料,通过化学沉积法制备新型IPMC,并对材料的性能进行了测试。扫描电子显微镜显示金属铂和银成功涂镀到SPI基材上,镀层厚度为12μm;并对以SPI和Nafion膜为基材制备的IPMC材料的含水量、表面电阻和电制动性能进行测试。实验结果显示,与传统的Nafion为基材的IPMC材料相比,以SPI为基材的新型IPMC材料的含水量明显高于Nafion基材制备的IPMC,并且电致动性能更好,产生的尖端位移远远高于Nafion基材制备的IPMC,并且灵敏度更高。这些性能显示磺化聚酰亚胺有望替代Nafion膜作为电活性聚合物的基体材料。

一种等效测量不同湿度条件下离子聚合物金属复合材料弹性模量的方法

离子聚合物金属复合材料的弹性模量与材料内部的含水量紧密相连,材料置于不同湿度环境下因含水量的差异会导致弹性模量不同,由于过程效应、实时性等因素影响,采用拉伸法测量材料的弹性模量不够准确。采用悬臂梁共振的方法测量该材料风干(吸水)过程中不同时刻的共振频率,通过公式转换计算得到不同时刻下弹性模量,然后通过测量材料在风干过程中含水量变化规律以及含水量与环境湿度的对应关系,最终得到该材料在不同湿度条件下的弹性模量,该方法简便可行,解决了测量不同湿度条件下离子聚合物金属复合材料弹性模量的难题。

铂型离子聚合物金属复合材料传感特性

基于不可逆热力学和薄板大挠度理论建立了大挠度状态下的IPMC的传感模型。即以不可逆热力学理论为基础,描述了IPMC的离子输运内在机理,以及离子运动与电场及浓度差之间的关系,并考察了IPMC内部的离子运动形式,建立电场与内部压力差之间的关系;同时通过分析受外载荷作用后发生大挠度情况下压力与挠度之间的关系,建立IPMC在大挠度时曲率与两金属膜之间形成的电势差之间的关系,即给出了大挠度状态下IPMC的传感性能模型,并分析了IPMC输出电压的影响因素。将模型仿真值与实验结果进行对比,误差在25%以内,说明建立的传感模型能够较好的预测大挠度状态下IPMC受载后的输出电压。研究结果也表明环境因素对IPMC传感性能的影响很大,在一定程度上限制了其应用范围。