專利名稱：一種ipmc 驅動器的選擇性鍍工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種IPMC (離子聚合物-金屬復合材料)驅動器的選擇性施鍍方法，采用電鍍膠帶或者通過浸泡生成氯化銀作為非施鍍區域的掩膜，該施鍍方法簡單高效，可以制造出具有復雜形狀的驅動器，以滿足復雜的驅動功能。
背景技術：
離子聚合物-金屬復合材料(IPMC)具有質量輕、柔韌性好、反應迅速和傳感-致動的雙向可逆功能，可用于制作產生大變形的驅動器等機電換能器件以取代傳統的壓電陶瓷，是近二十年來崛起且具有極大應用潛力的新型智能材料。目前制作分段、多向，組合變形等多功能IPMC材料驅動器時，通常會根據 復雜驅動功能需要，在同一塊膜材基體上制作多個彼此電隔離的非施鍍區域用于分別加電驅動。已有技術中有采用激光切害lJ (文獻Yoshihiro Nakabo, ToshiharuMukai, Kinji Asaka.Bio-mimetic soft robots with artificial muscles[C].Proc. of SPIE，2004，5648:132-144)和電火花切割隔離電極方法(文獻JonathanRossiter,Toshiharu Mukai.Electrostatic and thermal segmentationofmulti-segment IPMC sensor and actuctors. [C].Proc. of SPIE, 2011，7976:C1_C8),米用MEMS工藝制作覆蓋層阻止電極沉積的方法(文獻Zhen Chen, Xiaobo Tan. Monolithicfabrication of ionic polymer-metal composite actuators capable ofcomplexdeformation. [J]. Sensors and actuatorsA :Physical: 157 (2) : 246-257)等。這些方法通常需要昂貴的設備來加工制作，不利于推廣使用。同時傳統IPMC的制備工藝中，一般沉積電極包括兩個反應過程，首先通過離子交換-還原形成過渡層，然后通過化學鍍形成性能良好的電極。如果傳統制備方法中僅通過離子交換-還原的方法沉積電極，這樣制備的鍍層質量差，電阻率高，不宜直接使用。進一步使用化學鍍來改善電極，則不僅耗時長，需要多種輔助試劑，而且對反應溫度有一定要求。這些缺點一定程度上限制了 IPMC材料的推廣和使用。

發明內容
在保障IPMC材料驅動器性能前提下，為了簡化多功能IPMC材料驅動器的制作工藝，本發明針對目前選擇性鍍工藝中復雜的掩膜制造方法，以及傳統施鍍方法的耗時且成本高的特點，對傳統的施鍍方法進行了改進，提供了一種成本低、簡單實用的IPMC驅動器施鍍方法。為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的一種IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，包括以下步驟(I)基底材料的預處理以離子交換膜作為基底材料，將該離子交換膜進行糙化后置于60°C的環境下超聲清洗，去除表面顆粒，然后分別酸洗和去離子水煮洗；(2)根據驅動器的使用要求，在步驟(I)預處理后的離子交換膜上制作非施鍍區隔離施鍍區；非施鍍區要求在后續工序中不被鍍上電極，采取掩膜法實現，包括兩種可選擇方法:①直接用電鍍膠帶制作非施鍍區的覆蓋層，然后進行步驟(3)的浸泡還原鍍；②預處理后的離子交換膜先在硝酸銀溶液中浸泡，然后用電鍍膠帶制作施鍍區的覆蓋層，裸露非施鍍區，在HCl溶液中浸泡，直到在非施鍍區上反應生成穩定的不導電氯化銀沉淀；揭下施鍍區上的電鍍膠帶，然后進行步驟(3)的浸泡還原鍍；(3)采用浸泡還原鍍在施鍍區上沉積電極層，制作鉬、鈀、銀或銅金屬電極。上述方法中，所述的步驟(2)中，當非施鍍區線寬大于2_，采用該步驟中子步驟①；當非施鍍區線寬小于2mm，采用該步驟中子步驟②。其中硝酸銀溶液濃度為0. 03mo/L,浸泡廣2小時；HC1溶液濃度為0. lmol/L，浸泡半小時。 步驟(3)所述浸泡還原鍍的具體方法為I)利用電極相應的金屬鹽制作鹽溶液，將步驟(2)生成非施鍍區掩膜的離子交換膜放入金屬鹽溶液中浸泡廣2小時進行離子交換，使電極金屬離子進入離子膜；制備鈀或鉬電極使用氯化鈀/鉬、二氯二銨合鈀/鉬或二氯四銨合鈀/鉬鹽制得鹽溶液，制備銀電極使用硝酸銀溶液或銀氨溶液；制備銅電極使用硫酸銅溶液；鹽溶液濃度為0. 005^0. Imol/L,用量根據施鍍面積選用flOmmol/cm2;2)將步驟I)金屬鹽溶液浸泡后的離子交換膜用去離子水處理干凈后放入NaBH4溶液進行攪拌，使離子交換膜內金屬離子在膜表面被還原形成電極；對于鈀或鉬電極，NaBH4溶液濃度為0. 5 10mmol/L,最好為lmmol/L ;對于銀或銅電極，NaBH4濃度為2 20mmol/L,最好為5mmol/L。重復浸泡還原鍍1 2次。本發明克服了傳統的IPMC制備過程復雜、費時以及生產成本高的缺點，實現了在一塊膜基體材料上制作多電極驅動時阻隔線的工藝，阻隔線的制作不需要昂貴的設備，能夠滿足不同線寬的阻隔線的制作、實現材料的復雜驅動的功能。同時整個施鍍工藝簡單、實用，選擇掩膜處理后只需要經過數次浸泡還原鍍，既可得到驅動性能好的IPMC驅動器。


圖I為較寬隔離線多電極IPMC驅動器結構圖。圖2為細隔離線多電極IPMC驅動器結構圖。圖3為復合電極IPMC驅動器結構圖。圖廣3中1為基體離子膜，2為電極層，3為封裝膜，4為氯化銀隔離線，5為內層金屬電極層，通常為鉬或鈀電極，6為外層金屬電極層，通常為銀或銅電極。
具體實施例方式實施例I寬隔離線多電極IPMC驅動器的制作以尺寸為15cmX0. 5cm,設計2條3mm寬的隔離線將材料沿長度方向分為兩段多電極IPMC驅動器為例，基于選擇性鍍的制備方法包括下述步驟I)材料的預處理以Nafion膜(或采用Flemion離子膜)作為材料的基底材料，采用砂紙打磨粗化(600號以上砂紙，輕輕打磨Nafion膜兩表面)，打磨時盡量使表面均勻受力，注意觀察粗糙均勻度，在燈光下觀察表面變渾濁而沒有明顯亮點，可以認為打磨達到均勻效果。粗化后的Nafion膜在加熱到60°C后超聲波清洗20分鐘，除去其表面顆粒；然后取出酸洗，通過酸化處理去除雜質離子；使用的鹽酸溶液約為150ml、2mol/L，酸洗時間為30分鐘；最后在去離子水中煮洗，去除多余鹽酸和其它雜質，時間約為30分鐘；經過預處理的Nafion膜可以保存在去離子水中。2)將預處理的材料放入濃度為0. Olmol/L的[Pd(NH3)JCl2中浸泡2小時后取出采用去離子水浸泡lOmin，然后采用標尺在Nafion膜表面對阻隔區進行標定。利用刻刀在耐高溫和耐酸堿的電鍍膠帶刻出與阻隔區尺寸相同的遮蔽層，將刻好的電鍍膠帶圖案粘接到阻隔區，并且與阻隔區對準壓實，保證后續浸泡還原的過程中電鍍膠帶不脫落。3)將材料沖洗，然后放入500mL濃度為lmmol/L的硼氫化 鈉溶液中在常溫下反應充分，當無明顯的氣泡出現時，可以認為反應完畢，重復浸泡還原1-2次，用于改善材料的電極與基體材料的過渡層。4)將浸泡還原好的材料取出，去離子水清洗，采用鑷子小心揭下原先粘接在Nafion膜上的電鍍膠帶遮蔽層，可以看到在遮蔽層的掩蔽下，該部分區域沒有被鍍上金屬鈀電極，形成線寬為3mm的阻隔線。5)采用0. lmol/L的HCl的溶液進行浸泡用于去除內部的雜質離子，后采用
0.2mol/L的NaOH溶液進行浸泡，置換材料內部的H+離子，使Na+離子成為內部的驅動離子。6)切割根據使用的需要，將制備好的材料切割成所需要的形狀。7)針對切割好的材料進行封裝密封處理，采用已公開的專利中的封裝方法(申請號201110255830. 5)，得到如圖I所示的IPMC多電極驅動器結構。根據使用要求，可以給IPMC驅動器的不同段加電，實現驅動器的彎曲爬行等動作。實施例2細隔離線多電極IPMC材料驅動器的制作以尺寸為6cmX0. 5cm,阻隔線寬度為0. 5mm的多電極Ag極IPMC驅動器為例，基于選擇性鍍的制備方法包括下述步驟I)材料的預處理過程與實例I相同；2)將材料置于200ml濃度為0. 03mo/L的AgNO3溶液浸泡I小時，采用耐酸堿電鍍膠帶覆蓋預施鍍區域，裸露非施鍍區，然后將其置于0. lmol/L的HCl溶液中反應半小時，非施鍍區生成不導電的寬度約為0. 5_的AgCl隔離線(圖2)，均勻用力揭下電鍍膠帶，然后去離子浸泡IOmin左右，進行下一步的浸泡還原鍍。3)將其再次置于0. 03mol/L的AgNO3浸泡1_2個小時后,用去離子水浸泡IOmin中，將其置于500ml濃度為lmmol/L的NaBH4溶液常溫下反應，直至無明顯氣泡產生，認為反應已經完畢。重復浸泡還原1-2次，改善基體膜與金屬的過渡層。4)采用0. lmol/L的HCl的溶液進行浸泡用于去除內部的雜質離子，后采用
0.2mol/L的NaOH溶液進行浸泡，置換材料內部的H+離子，使Na+離子成為內部的驅動離子。5)切割根據使用的需要，將制備好的材料切割成所需要的形狀。6)針對切割好的材料進行封裝密封處理，采用已公開的專利中的封裝方法(申請號201110255830. 5)，得到如圖2所示的多電極IPMC驅動器結構。根據使用要求，給IPMC驅動器的不同段加電，實現驅動器的彎曲爬行等動作。綜合考慮成本和性能兩方面因素，本發明還在掩膜(阻隔線)工藝的基礎上，采用復合鍍的方法制備復合電極，即浸泡不同鹽溶液后還原制備復合電極。通常先沉積鉬或鈀電極后沉積銀或銅電極。 實施例3復合鍍IPMC驅動器的制作以制作尺寸為6cmX3cm的鈀和鉬復合電極型IPMC為例，復合鍍的方法包括下述步驟I)材料的預處理步驟與實例I相同，制作復合電極時需要考慮金屬的活潑性，從而確定施鍍的先后順序，首先選擇給Nafion膜施鍍一層還原性弱的金屬層，此處選擇先施鍍鉬電極。
2)將預處理的材料置于0. 01mol/L的[Pt(NH3)JCl2鹽中浸泡1_2小時，采用去離子水浸泡約IOmin左右,然后將其置于濃度為lmmol/L的NaBH4溶液中在常溫下浸泡還原，可以看到反應容器壁上出現氣泡，當無明顯的氣泡出現時，可以認為反應完畢，將已經鍍好一層的鉬電極型的IPMC取出，測定導電率，基本上處于半導通狀態。3)將上述所得的鉬電極型IPMC用去離子水清洗，然后置于0. 01mol/L的[Pd (NH3) 4] Cl2鹽中浸泡1-2小時，然后將其置于濃度為lmmol/L的NaBH4溶液中在常溫下浸泡還原，可以看到反應容器壁上出現氣泡，當無明顯的氣泡出現時，可以認為反應完畢，這樣就得到了鈀鉬復合電極型IPMC，測量表面導電情況，已完全導通，重復浸泡還原1-2次，用于改善基體材料與電極過渡層。4)材料的后處理(I)驅動離子交換首先將清洗后的IPMC浸泡在100ml、0. lmol/L的HCl中，去除雜質離子，I小時后在新的100ml、0. lmol/L的HCl溶液再浸泡I小時，然后用去離子水清洗。在200ml、0. 2mol/L的NaOH溶液浸泡3小時以上；(2)切割根據使用的需要，將制備好的材料切割成所需要的形狀；(3)針對切割好的材料進行封裝密封處理，采用已公開的專利中的封裝方法(申請號:201110255830. 5)，得到如圖3所示的IPMC驅動器結構。
權利要求
1.一種IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，包括以下步驟 (1)基底材料的預處理以離子交換膜作為基底材料，將該離子交換膜進行糙化后置于60°C的環境下超聲清洗，去除表面顆粒，然后分別酸洗和去離子水煮洗； (2)根據驅動器的使用要求，在步驟(I)預處理后 的離子交換膜上制作非施鍍區隔離施鍍區；非施鍍區要求在后續工序中不被鍍上電極，采取掩膜法實現，包括兩種可選擇方法 ①直接用電鍍膠帶制作非施鍍區的覆蓋層，然后進行步驟(3)的浸泡還原鍍； ②預處理后的離子交換膜先在硝酸銀溶液中浸泡，然后用電鍍膠帶制作施鍍區的覆蓋層，裸露非施鍍區，在HCl溶液中浸泡，直到在非施鍍區上反應生成穩定的不導電氯化銀沉淀；揭下施鍍區上的電鍍膠帶，然后進行步驟(3)的浸泡還原鍍； (3)采用浸泡還原鍍在施鍍區上沉積電極層，制作鉬、鈀、銀或銅金屬電極；或者鉬-鈀復合電極、銀-銅復合電極。
2.如權利要求I所述的IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，所述步驟(2)中，當非施鍍區線寬大于2_，采用該步驟中子步驟①；當非施鍍區線寬小于2_，采用該步驟中子步驟②。
3.如權利要求I所述的IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，步驟(2)的子步驟②中，硝酸銀溶液濃度為O. 03mo/L，浸泡f 2小時；HC1溶液濃度為O. lmol/L，浸泡半小時。
4.如權利要求I所述的IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，步驟(3)所述浸泡還原鍍需重復廣2次。
5.如權利要求I所述的IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，步驟(3)所述浸泡還原鍍的具體方法為 1)利用電極相應的金屬鹽制作鹽溶液，將步驟(2)生成非施鍍區掩膜的離子交換膜放入金屬鹽溶液中浸泡廣2小時進行離子交換，使電極金屬離子進入離子膜；制備鈀或鉬電極使用氯化鈀/鉬、二氯二銨合鈀/鉬或二氯四銨合鈀/鉬鹽制得鹽溶液，制備銀電極使用硝酸銀溶液或銀氨溶液；制備銅電極使用硫酸銅溶液；鹽溶液濃度為O. 005 0. lmol/L，用量根據施鍍面積選用10mmol/cm2 ； 2)將步驟I)金屬鹽溶液浸泡后的離子交換膜用去離子水處理干凈后放入NaBH4溶液進行攪拌，使離子交換膜內金屬離子在膜表面被還原形成電極；對于鈀或鉬電極，NaBH4溶液濃度為O. 5 10mmol/L，對于銀或銅電極，NaBH4濃度為2 20mmol/L。
6.如權利要求5所述的IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，對于鈀或鉬電極，NaBH4溶液濃度為lmmol/L ;對于銀或銅電極，NaBH4濃度為5mmol/L。
全文摘要
本發明公開了一種IPMC驅動器的選擇性鍍工藝，其特征在于，包括(1)基底材料的預處理(2)根據驅動器的使用要求，在步驟(1)預處理后的離子交換膜上制作非施鍍區隔離施鍍區；非施鍍區要求在后續工序中不被鍍上電極，采取掩膜法實現，線寬較大時可直接用耐高溫的電鍍膠帶覆蓋使被阻隔處不能施鍍；線寬較小時用電鍍膠帶制作相反的覆蓋層暴露阻隔線，通過生成氯化銀沉淀來隔離不同電極區域；(3)采用浸泡還原鍍在施鍍區上沉積電極層，制作鉑、鈀、銀或銅金屬電極；或者鉑-鈀復合電極、銀-銅復合電極。
文檔編號C23C18/18GK102953053SQ20121045270
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者陳花玲, 朱子才, 羅斌, 王永泉, 王延杰 申請人:西安交通大學