电活性聚合物的应用发展化学工程专业.docx

电活性聚合物的应用发展 摘 要 近几年的研究中，电活性聚合物是一种新型的智能材料,具有不同的电性能以及机械性能。电活性聚合物在电流的作用下，形状容易发生改变。所以,从1990年起，电活性聚合物的研究受到了多方的关注。本文从多种电活性聚合物材料的研究现状出发展开。电活性聚合物可以分成离子型聚合物以及电子型聚合物。离子型聚合物（EAP）主要由碳纳米管、导电聚合物、电致流变液体、离子聚合物凝胶以及离子聚合物符复合材料组成的；电子型EAP由介电 EAP、电致伸缩接枝弹性体、电致伸缩纸张、铁电体聚合物和液晶弹性体（LCE）等组成。其次研究了电活性聚合物的发电原理及其力学性能；最后介绍了电活性聚合物在各领域的应用。通过查阅文献和询问相关的人士对论文进行研究。电活性聚合物与传统的压电材料相比而言，聚合物材料有很大的发展前景，且重量不高、驱动效率高，是最具有非常好的发展潜力。 关键词：电活性聚合物 电致伸缩 离子型 电子型 Abstract In recent years, electroactive polymer is a new kind of intelligent material with different electrical properties and mechanical properties. Electroactive polymers are susceptible to changes in the shape of electrical current. Therefore, since 1990, the research of electroactive polymers has attracted much attention. This paper starts from the research status of various electroactive polymer materials. Electroactive polymers can be divided into ionic polymers and electronic polymers. The ionic polymer (EAP) is composed mainly of carbon nanotubes, conductive polymers, electrorheological fluids, ionic polymer gels, and ionic polymer composites. Electronic EAP is composed of dielectric EAP, electrostrictive graft elastomer, electrostrictive paper, ferroelectric polymer and liquid crystal elastomer (LCE). Secondly, the generation principle and mechanical properties of electroactive polymers are studied. Finally, the application of electroactive polymer in various fields is introduced. The paper is studied by referring to the literature and inquiring relevant persons. Compared with traditional piezoelectric materials, the polymer materials have great development prospect, and they have low weight and high drive efficiency, which are the most promising development potential. Keywords：Electroactive polymers Electrostriction Ionic Electronic type iii 目 录 摘要 i Abstract ii 1 引言 1 1.1 本课题设计的目的及意义 1 1.2 电活性聚合物国内外的发展状况 1 2 EAP材料分类 2 2.1 电子型EAP 2 2.1.1 电致伸缩接枝弹性体(ESGE) 2 2.1.2 电致伸缩薄膜(ESP) 2 2.1.3 电致粘弹性聚合物(EVEM) 3 2.1.4 铁电聚合物(FEP) 3 2.1.5 全有机复合材料(AOC) 4 2.1.6 液晶弹性体(LCE) 5 2.2 离子型EAP材料 6 2.2.1 碳纳米管 6 2.2.2 电致流变液体(ERF) 6 2.2.3 导电聚合物(CP) 6 2.2.4 离子聚合物凝胶(IPG) 7 2.2.5 离子聚合物/金属复合材料（IPMC） 7 3 电活性聚合物的发电原理及其力学性能 9 3.1 电活性聚合物的发电原理 9 3.2 电活性聚合物的力学性能 10 4 电活性聚合物在各领域的应用 12 4.1 EAP驱动器的实际应用研究 12 4.1.1 DE和IPMC在无阀微泵上的应用研究 12 4.1.2 IPMC在微镜头调焦系统中的应用研究 13 4.1.3 EAP材料在微创手术臂上的应用探讨 13 4.2 偏氟乙烯基系列电活聚合物 13 4.2.1 电活聚合物在水声传感设备与换能设备上的应用 13 4.2.2 电活聚合物在超声传感设备和换能设备上的应用 14 4.2.3 电活聚合物在医疗传感设备和换能设备上的应用 14 4.3 电活性聚合物在临床及生物医学领域的应用 15 4.3.1 对药物的释放速率进行控制 15 4.3.2 组织工程 15 5 前景与展望 17 6 结论 18 致 谢 19 参考文献 20 v 1 引言 1.1 本课题设计的目的及意义 和普通的压电材料不同，电活性聚合物材料有更大的抵抗能力，并且质量不大、驱动性能好、防震效果优良，是一种新型的、智能的仿生材料。利用电活性材料去收集风能、太阳能能其他绿色能源，发展最新的可再生能源具有无污染、成本低等其他优点，能够促进全世界能源可持续发展战略。 1.2 电活性聚合物国内外的发展状况 1880年，人们第一次发现了机电响应现象。19世纪初，科学把将场致应变原理分析归纳，以公式的形式表现出来。1920年前后，人们第一次发现了一种特殊的聚合物并起名为压电聚合物,其发现是电活性聚合物研究和发展的重要一步。1948年,科学家再一次发现了一种可以在胶原质丝中浸泡时,可以进行伸缩的一种材料，后被人起名为化学活性聚合物。不过,对于很少有人能够将材料的化学性能和和机械性质放在一起考虑,直到一种新型的仿生肌肉材料被发明出来。在电流刺激的科技发展下,人们开始不断的关注EAP材料的研究和发展。20世纪60年代末，人们通过实验发现PVDF有压电能力后，研究人员慢慢的对其它聚合物材料进行研究,所以，不同种类的EAP材料被研发出来。最近几年,EAP材料的发展已经有了一个质的飞跃，研究人员研发出了具有特殊性质的EAP材料，这对后人开发新型电活性聚合物给与了非常大的参价值。 2 EAP材料分类 2.1 电子型EAP 2.1.1 电致伸缩接枝弹性体(ESGE) 电致伸缩枝弹性体的组成部分是由柔性主链和支链两个基本单元所组成的,支链可以和与其相连的主链部分形成一种特殊的晶体单元，主链和支链内都有电荷，并且这种电荷由带极性的一种单体组合而成的, 主链和支链都能够生成偶极矩，并且能够发生诱导极化现象。在电流的刺激下,偶极子会发生极距偏转的现象导致支链的极化基本部分发生转动,主链的局部会发生变形,ESGE于其他的电子型聚合物相比较而言，其硬度性能更好。所以ESGE材料具有更广阔的发展前景。[1] 2.1.2 电致伸缩薄膜(ESP) 电致伸缩薄膜由很多的散落单元拼成的一种聚合物,这种聚合物具有网状结构，其材料一般都有纤维材料的性能。其驱动器重量较轻,制作流程简洁, 能够用在吸音器、柔性扬声器和“智能”形状控制设备等。现阶段，国外学者J.Kim等[2,3]研发出了一种新型的电活性薄膜（如下图所示）。这种电活性薄膜两端的材料是银膜制成,在电流的作用下，薄膜会发生变形和位置移动。其位置移动的量的影响因素有频率、粘合剂、电压、基体等有关。 图1电活性薄膜示意图 2.1.3 电致粘弹性聚合物(EVEM) 电致制弹性合物的组成成分有两种，包括硅橡胶和极化相。聚合物在没有进行硫化混合以前,这种聚合物形态和一种电致粘弹液体一般。在通过电流以后，聚合材料发生形态转变，由液态变为固态,极化相在弹性体体系内会发生有规律的定向运动。所以，这种聚合材料的形态为“固态”+“液态”两种情况,并且剪切模量是根据电场强度的改变而变化,因此能够代替电致流变的液体，当成一种阻尼材料，而且还能够用于制做全自动化机器人的手臂，国外研究学者等研发出了一种新型材料，这种材料能够承受一定重量，也能够当成粘弹性聚合物加以利用。[4] 2.1.4 铁电聚合物(FEP) 压电现象通常存在于一种特殊的晶体中，也就是在铁电体中发生的一种特殊效应。在电流的作用下，压电材料通常会发生形状改变,不同的是，压电材料在外力的作用下，就会有电压的生成。压电材料能够用于气体和液体中，并且可用的环境也比较宽泛。最常见的铁电聚合物是聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物。因为铁电聚合物具有非常优异的弹性和韧性，所以可以将铁电聚合物制造成面积较大的薄膜。其应用的领域可以在超声传感器和医学传感器以及热释电和光学器件中，研究这种材料具有非常重要的意义。目前，已经在医用超声传感器和机器人探测器等领域中已经得到了应用。[5] 研究人员Zhang等[6,7]近期研发出了一种新型铁电聚合物，由改性聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物制成。在一定的电流通过时，这种新型的铁电聚合物的形变可以在百分之7左右，弹性能密度能够达到1焦耳每立方厘米。铁电聚合物的改变性质方法主要有2个，第一是三元共聚物体系，第二是制成高能电子辐射共聚物。性质改变后，在电流作用时，聚合物的转化温度范围也会因此而改变，避免了在极性变化过程中成核现象的出现，并且转化温度也变成了25摄氏度左右。所以，制造出了温度范围比较大的电致变形。和高能电子辐射法相比，共聚法的优点是：无需辐射、制造过程简单、花费低，得到的产物具有更好的性能，因此三元共聚法同样也有一定的应用价值。 2.1.5 全有机复合材料(AOC) 全有机复合材料的制备原理简单，将一种有机填料送入到一种电致伸缩聚合物内, 同时要保证这种有机填料要具有高介电常数。全有机复合材料在保证基体性质前提下，同时也要具有比较高的介电能力。这种新型有机复合材料通过比较低的电流时，能够达到很高的变量,只有这样，才能大幅度地提升了全有机材料的介电性能, 也可以高效的提高了材料的“有效”击穿能力。[8] 有专家指出，将CuPc与P(VDF-TrFE)结合,在较低电场刺激下材料的形态变化能够在原来的百分之2左右波动,而且介电常数如果能够超过400（如图2所示）。CuPc 制备而成的分子级固体就是一种有机的材料,这种材料具有绝缘体的性质，介电常数最高可以超过120 。全有机材料的介电常数特别高的原因是绝缘表面隔离了绝大多数的电流而造成的, 这种接近于半导体的材料和绝缘表面可以组成的内部稳定的电容器效应。分子内有π键，π键就会在共轭体系中发生位移。造成电量过大的反应。并