電活性聚合物材料的研究進(jìn)展

電活性聚合物材料的研究進(jìn)展

1制備物的選擇和性能評(píng)估電子展合物eap是一種智能材料，具有特殊的電性能和能耗。這種聚合物在受到電刺激后,產(chǎn)生微小形變。因此,從上世紀(jì)90年代初開始,電活性聚合物以較強(qiáng)的誘導(dǎo)形變能力引起許多學(xué)科的科學(xué)家和工程師的關(guān)注。近幾年來,電活性聚合物在設(shè)計(jì)、合成和加工方面都有了很大的進(jìn)步。另外,研究還發(fā)現(xiàn)EAP材料的性能由許多因素決定,如輸出應(yīng)變、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力、彈性能密度、響應(yīng)時(shí)間及理論效率等。而外加電場(chǎng)與總輸出響應(yīng)的關(guān)系與EAP材料性質(zhì)有關(guān),包括幾何尺寸(大小、形狀等)、激發(fā)電場(chǎng)方向等。任何一種EAP材料都具有相當(dāng)大的彎曲響應(yīng),但是其較低的作用力和可能產(chǎn)生的誘導(dǎo)扭矩限制了這種材料的應(yīng)用,有待進(jìn)一步研究。2從化學(xué)活性聚合物到eap材料的發(fā)展據(jù)文獻(xiàn)記載,電活性聚合物的起源可以追溯到19世紀(jì)80年代,機(jī)電響應(yīng)現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)。20年后有人將場(chǎng)致應(yīng)變的規(guī)律總結(jié)成公式。上世紀(jì)20年代,壓電聚合物的發(fā)現(xiàn),是電活性聚合物發(fā)展史的重要里程碑。40年代末,人們發(fā)現(xiàn)了化學(xué)活性聚合物,例如膠原質(zhì)絲浸泡在酸或堿溶液中時(shí),可以可逆伸縮。但是,關(guān)于“化學(xué)-機(jī)械”的驅(qū)動(dòng)器卻很少有人研究,直到仿生肌肉用合成聚合物發(fā)展起來。隨著電激勵(lì)技術(shù)的發(fā)展,人們開始關(guān)注EAP材料。1969年發(fā)現(xiàn)PVDF具有壓電行為后,科學(xué)家開始挖掘其它聚合物體系,一系列的EAP材料應(yīng)運(yùn)而生。近10年來,EAP材料發(fā)展迅速,開發(fā)了一系列具有優(yōu)異性能的EAP材料,某些EAP材料的形變量甚至可以達(dá)到300%。3設(shè)立離子型eap按照作用機(jī)理的不同,電活性聚合物主要分為兩大類:電子型和離子型(見表1)。其中,電子型EAP包括全有機(jī)復(fù)合材料(AOC)、介電EAP(DEAP)、電致伸縮接枝彈性體(ESGE)、電致伸縮薄膜(ESP)、電致粘彈性聚合物(EVEM)、鐵電體聚合物(FEP)和液晶彈性體(LCE)等。對(duì)于電子型EAP,在電場(chǎng)作用下庫侖力誘導(dǎo)產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)以及靜電、壓電和鐵電效應(yīng),而且這種EAP材料可在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)位移。但是,在一定的電致伸縮效應(yīng)時(shí),電子型EAP需要較高的激勵(lì)電場(chǎng)(>100V/μm),該電場(chǎng)接近材料的擊穿電場(chǎng)。而離子型EAP是由兩個(gè)電極和電解液組成的,離子遷移或分散作用,可以使這類材料在較低電壓下(1～2V)產(chǎn)生激勵(lì)作用,并產(chǎn)生誘導(dǎo)彎曲位移。離子型EAP包括碳納米管(CNT)、導(dǎo)電聚合物(CP)、電致流變液體(ERF)、離子聚合物凝膠(IPG)和離子聚合物基金屬復(fù)合材料(IPMC)等。這類EAP材料的缺點(diǎn)是需要保持一定的濕潤(rùn)度,而且在直流電場(chǎng)激勵(lì)下很難保持穩(wěn)定的誘導(dǎo)位移(導(dǎo)電聚合物除外)。電子型EAP和離子型EAP的誘導(dǎo)應(yīng)變均可設(shè)計(jì)為彎曲、拉伸或壓縮應(yīng)變。任何一種EAP材料都具有相當(dāng)大的彎曲響應(yīng),如圖1所示,電活性驅(qū)動(dòng)器很容易產(chǎn)生場(chǎng)致形變。但是,較低的作用力和產(chǎn)生的誘導(dǎo)扭矩限制了這種材料的應(yīng)用,有待進(jìn)一步研究。4電子dea的材料4.1接枝彈性體變形電致伸縮接枝彈性體,由柔性主鏈和支鏈組成。圖2為接枝彈性體的結(jié)構(gòu)。支鏈與相接近的主鏈物理交聯(lián),形成晶體單元。柔性主鏈與結(jié)晶的接枝單元由帶有電荷的極性單體合成,可以產(chǎn)生偶極矩,并使結(jié)晶支鏈誘導(dǎo)極化。在施加電場(chǎng)的情況下,偶極子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩作用,刺激結(jié)晶支鏈的極化單元旋轉(zhuǎn),主鏈局部重排,導(dǎo)致彈性體變形。接枝彈性體的優(yōu)點(diǎn)是比其它電致伸縮聚合物的硬度高。例如,聚氨酯的模量一般在15～20MPa之間,而NASALangley開發(fā)的接枝彈性體的模量大約為580MPa,將近是聚氨酯的30倍。因此,用ESGE材料制備的驅(qū)動(dòng)器具有更廣闊的發(fā)展前景。Y.Wang等認(rèn)為接枝彈性體變形是因?yàn)榫ОD(zhuǎn)和主鏈局部重排。晶胞旋轉(zhuǎn)增加了晶胞附近的原子密度,產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變。而主鏈的局部重排經(jīng)歷3個(gè)階段。第一階段,負(fù)應(yīng)變方向與電場(chǎng)平行,正應(yīng)變垂直于電場(chǎng)方向。第二階段,正負(fù)應(yīng)變都增加。第三階段,正負(fù)應(yīng)變量減小。彈性體變形就是晶胞旋轉(zhuǎn)和主鏈局部重排共同作用的結(jié)果。J.Su等發(fā)現(xiàn)用ESGE材料組裝的彎曲驅(qū)動(dòng)器,在2.1kV電壓時(shí),輸出的驅(qū)動(dòng)力隨長(zhǎng)度減小而迅速增加,可以從33.5mm處的124μN(yùn)猛增到7mm處的662μN(yùn)。他們認(rèn)為驅(qū)動(dòng)器的形變大小與材料的長(zhǎng)度和施加電場(chǎng)的面積有關(guān)。當(dāng)長(zhǎng)度減小為1mm時(shí),輸出的彎曲力可以達(dá)到5mN,因此這種材料可以應(yīng)用到微米機(jī)電設(shè)備中。4.2用于活性重質(zhì)碳酸鈣設(shè)備的活性成分電致伸縮薄膜是大量分散粒子組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物,通常具有纖維的性質(zhì)。這種材料的驅(qū)動(dòng)器質(zhì)輕,制造簡(jiǎn)單,可以用于活性吸音器、柔性揚(yáng)聲器和“智能”形狀控制設(shè)備等。J.Kim等最近開發(fā)了一種電活性薄膜(如圖3)。這種薄膜兩側(cè)用銀膜作電極,施加電場(chǎng)后,薄膜產(chǎn)生彎曲位移。其位移量與電壓、頻率、粘合劑、基體等有關(guān)。4.3“固體”相轉(zhuǎn)移的導(dǎo)電材料電致粘彈性聚合物由硅橡膠和極化相組成。在未硫化交聯(lián)之前,這種材料就像電致粘彈液體。施加電場(chǎng)后,材料固化,極化相在彈性體基體中定向排列。因此,這種材料具有“固態(tài)”相,且剪切模量隨電場(chǎng)(<6V/μm)變化。這種材料能獲得50%的剪切模量,可以代替電致流變液體作為阻尼材料,還可以用來制造精確控制閉合回路系統(tǒng)的機(jī)器人胳膊。4.4鐵電聚合物材料壓電現(xiàn)象是一種存在于一類特定晶體——鐵電體中的獨(dú)特效應(yīng)。壓電材料在施加電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生伸縮變形,相反在施加壓力時(shí)產(chǎn)生電壓。這種材料可以在空氣、真空或水中使用,而且使用溫度范圍相當(dāng)寬。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常見的鐵電聚合物。由于它們具有良好的柔韌性并易制成大面積的薄膜,因而在音頻和超聲傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、機(jī)電換能器以及熱釋電和光學(xué)器件中具有重要的應(yīng)用前景。在水聽器,醫(yī)用超聲傳感器和機(jī)器人探測(cè)器等領(lǐng)域已獲得實(shí)際應(yīng)用。Zhang等最近開發(fā)了一種鐵電聚合物材料——改性聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。在150MV/m電場(chǎng)下,其電致伸縮應(yīng)變可以超過7%,彈性能密度達(dá)到1J/cm3。改性方法有兩種:(1)是制成三元共聚物體系(P(VDF-TrFE-CFE));(2)是制成高能電子輻射共聚物。改性后,拓寬了電場(chǎng)下極化相和非極化轉(zhuǎn)化的溫度范圍,消除了相轉(zhuǎn)化時(shí)成核現(xiàn)象的發(fā)生,而且使轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫。因此,得到了室溫下較寬溫度范圍的電致伸縮應(yīng)變。相對(duì)于高能電子輻射法,三元共聚物法成本低,工藝簡(jiǎn)單,而且不需要輻射,所得三元共聚物具有更好的機(jī)電響應(yīng),所以三元共聚物法更具有應(yīng)用價(jià)值。他們認(rèn)為高能電子輻射或加入第三單體所形成的共聚物具有高電致伸縮應(yīng)變是由于P(VDF-TrFE)內(nèi)局部的構(gòu)象轉(zhuǎn)換,也就是從反式-旁式(trans-gauche)鍵到全反(alltrans)鍵間局域結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換。在電場(chǎng)誘導(dǎo)下當(dāng)該類共聚物的分子結(jié)構(gòu)從非極性相向極性相轉(zhuǎn)換中,產(chǎn)生了較大的材料尺寸變化。Lu等比較了3種不同的聚合物材料的電致伸縮應(yīng)變(如圖4):聚氨酯彈性體,含六氟代丙稀5%和15%的聚偏氟乙烯-六氟代丙稀(PVF2-HFP)。冰水驟冷的含5%六氟代丙稀的PVF2/HFP共聚物具有最高的應(yīng)變響應(yīng)(>4%)和最高的介電常數(shù)(13.5)。而聚氨酯具有較高的應(yīng)變響應(yīng)(>3%),但是介電常數(shù)最小,僅為8.5。含HFP15%的共聚物應(yīng)變最小(約3%),介電常數(shù)為13.1。含HFP5%的冰水驟冷共聚物的彈性能密度是所有半結(jié)晶聚合物中最高的,為0.88J/cm3。4.5全有機(jī)高介電復(fù)合材料全有機(jī)復(fù)合材料是將具有高介電常數(shù)的有機(jī)填料分散到一種電致伸縮聚合物基體中,在保持基體柔性的基礎(chǔ)上同時(shí)具有較高的介電常數(shù)。這種聚合物基復(fù)合材料在較低的電場(chǎng)下可以實(shí)現(xiàn)較高的應(yīng)變量,與此同時(shí),既大大地增加了有機(jī)材料的介電常數(shù),也有效地改善了材料的“有效”擊穿強(qiáng)度。Zhang等最近的研究結(jié)果表明,將一種具有高介電常數(shù)的金屬配位有機(jī)化合物銅酞化菁(CuPc)與P(VDF-TrFE)復(fù)合,在較低電場(chǎng)(13V/μm)激勵(lì)下材料的形變就可達(dá)到2.0%的水平,同時(shí),介電常數(shù)達(dá)到400以上(如圖5所示)。CuPc組成的分子級(jí)固體是一種有機(jī)半導(dǎo)體材料,介電常數(shù)可以達(dá)到105。該全有機(jī)材料之所以具有高的介電常數(shù)是因?yàn)榻^緣層組分阻塞了大范圍的電荷流動(dòng)而形成的電荷局域化引起的,這類似于半導(dǎo)體的核與絕緣層形成的內(nèi)部邊界層的電容器效應(yīng)。含有共軛π鍵的整個(gè)分子的電子在電場(chǎng)中很容易位移,導(dǎo)致高介電反應(yīng)。而且,分子間弱的范德華力使分子級(jí)固體的彈性模量低于聚合物基體。另外,CuPc固體不易加工,長(zhǎng)期的電子極化導(dǎo)致其具有高的介電損耗。而聚合物基體既可以形成絕緣層,又可以減小填料的介電損耗。因此,全有機(jī)復(fù)合材料具有和聚合物基體相同的彈性模量,并保持基體的柔性。這種全有機(jī)的電活性復(fù)合材料可以用作人工肌肉,藥物釋放的“智能外衣”以及用于藥物釋放的微循環(huán)體系。通過進(jìn)一步地提高復(fù)合材料的制備工藝,包括使用納米尺寸CuPc填料或者對(duì)這種填料完全用絕緣相進(jìn)行包覆,可能使得這種材料的介電常數(shù)以及形變進(jìn)一步增加。Zhang等還將導(dǎo)電聚苯胺(PAIN)粒子(K>105)(23%體積分?jǐn)?shù))與P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物熔融法復(fù)合,可得到全有機(jī)高介電弛豫復(fù)合材料,介電常數(shù)可達(dá)2000以上。這種高介電復(fù)合材料,在9.5MV/m電場(chǎng)下,形變可達(dá)到1.5%,而三元共聚物基體需要75MV/m電場(chǎng)才可以達(dá)到這個(gè)水平(如圖6所示)。并且這種復(fù)合材料在接近滲流閾值時(shí)仍能保持較高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。PAIN與金屬粉末相比,彈性模量較低(約2.3GPa),所以使復(fù)合材料的模量與基體相比變化不大。為改善基體與粒子的相容性,他們選用甲基丙烯酸月桂醇酯作為絕緣單體,包覆PANI粒子。甲基丙烯酸月桂醇酯具有乙烯基長(zhǎng)鏈,因此與PVDF相容性較好。圖6插圖為介電常數(shù)-電場(chǎng)關(guān)系圖。Szabo等開發(fā)了EVA/poly(CuPc)復(fù)合材料,并將這種薄膜應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器。發(fā)現(xiàn)隨poly(CuPc)含量的增加,復(fù)合材料儲(chǔ)能模量迅速增加,當(dāng)poly(CuPc)含量為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),儲(chǔ)能模量達(dá)到109Pa。在1Hz,20℃下,含poly(CuPc)70%的復(fù)合材料,介電常數(shù)高達(dá)40,而EVA基體介電常數(shù)僅為3。4.6光聚合法制備工藝液晶彈性體是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,通過焦耳熱產(chǎn)生電活性。LCE材料由單域向列相液晶彈性體和導(dǎo)電聚合物組成。向列相和各向同性相之間的相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生電活性,而且產(chǎn)生電活性的時(shí)間還不到1s。各向異性液晶溶膠,可以通過原位(insitu)光聚合法得到,其中包含有反應(yīng)性液晶分子,同時(shí)在一定方向上還存在不反應(yīng)的液晶分子。這種液晶聚合物體系具有相當(dāng)好的性能,例如,其彈性可以通過液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和小分子液晶結(jié)構(gòu)來控制。Zhang等開發(fā)了一種向列相液晶溶膠體系,通過場(chǎng)致液晶單元重排達(dá)到機(jī)電響應(yīng)。在25MV/m電場(chǎng)下,這種材料的場(chǎng)致應(yīng)變達(dá)到2%,激勵(lì)方向上的彈性模量為100MPa。因其具有生物相容性,因此可以用來制備人工肌肉和微機(jī)電設(shè)備等。Thomsen等]制備了一種熱致液晶彈性體彎曲驅(qū)動(dòng)器。這種設(shè)備具有多層材料結(jié)構(gòu),因設(shè)備的結(jié)構(gòu)限制了液晶彈性體的位移,所以這種驅(qū)動(dòng)器的位移量要比純液晶彈性體薄膜小。但是,設(shè)備可以在低功率(<2W)下工作,而且可以反復(fù)使用多達(dá)1000次。5離子eap材料5.1swnt-part復(fù)合材料碳納米管是一種高性能,多功能復(fù)合材料,具有高長(zhǎng)徑比、直徑小、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高(類似于金剛石)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性好、空氣中穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在注入離子后,納米管和電解液的離子電荷平衡被破壞,鍵長(zhǎng)改變產(chǎn)生電活性。注入的電荷愈多,尺寸變化愈大。因此,人們希望得到CNT/聚合物納米復(fù)合材料,使易于加工的聚合物基體具備CNT的優(yōu)點(diǎn)。近年來,由單壁碳納米管(SWNT)制成的薄層驅(qū)動(dòng)器是一種性能優(yōu)良的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器。這種SWNT薄層驅(qū)動(dòng)器在低壓(一般<5V)下,水電解液中可以產(chǎn)生1%的應(yīng)變。SWNT薄層具有高的電導(dǎo)率,加之極好的機(jī)械性能,被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)器技術(shù)上的重大突破。SWNT在電解液界面形成雙電層,伴隨非感應(yīng)電荷注入過程,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。電致伸縮和量子化學(xué)的共同作用導(dǎo)致尺寸變化,使納米管軸向的碳—碳鍵擴(kuò)張。Ramasubramaniam等認(rèn)為均勻的碳納米管聚合物復(fù)合材料可以通過非共價(jià)作用制成。加入0.05%～0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SWNT復(fù)合材料可以大大改進(jìn)電導(dǎo)率,而且具有較低的滲閾閥值。而且這些復(fù)合材料應(yīng)用面很廣。由于SWNT的多功能性,這些復(fù)合材料在機(jī)械、熱、傳感和驅(qū)動(dòng)方面都有應(yīng)用。Papadimitrakopoulos等通過滲透法和澆鑄法得到碳納米管/Nafion材料,并制成驅(qū)動(dòng)器。滲透法是將復(fù)合材料在150℃下退火,使Nafion膠束結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致形成完全剝離的形貌,使電導(dǎo)率和驅(qū)動(dòng)應(yīng)變都減小。而緩慢的澆鑄使結(jié)構(gòu)均勻。在水電解液中(例如5mol/LNaCl溶液),-1和+1的電化學(xué)周期電場(chǎng)中,這種復(fù)合材料具有較高的應(yīng)變(0.43%),但是模量降低,Nafion膨脹導(dǎo)致模量降低。相對(duì)單層碳納米管而言,多壁碳納米管(MWNT)具有化學(xué)惰性和非線性的光學(xué)性質(zhì),導(dǎo)熱導(dǎo)電性好,機(jī)械強(qiáng)度高。D.W.Smith等由原位法(in-situ)和非原位法(ex-situ)制得聚苯胺/MWNT復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的導(dǎo)電率比純PANI的導(dǎo)電率高很多。他們發(fā)現(xiàn)MWNT不僅影響主鏈上的N—H鍵,而且使醌型結(jié)構(gòu)增加。導(dǎo)電率的增加與碳納米管摻雜氯離子有關(guān)。碳納米管作為傳感驅(qū)動(dòng)材料,可以應(yīng)用于各種傳感設(shè)備上,例如氣體傳感器、壓力溫度傳感器共振傳感器、葡萄糖傳感器等。隨著材料科學(xué)和設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步,碳納米管化學(xué)和生物傳感器得到大力發(fā)展,分析檢測(cè)范圍可以從氣體分子到葡萄糖分子,無論是傳感能力和選擇性,還是熱性能和機(jī)械性能都很好。5.2erf在機(jī)械設(shè)備等方面的應(yīng)用和發(fā)展電致流變液體是一種低介電液體,其中含有電子極化粒子。施加電場(chǎng)后,懸浮離子極化。幾毫秒后,在電場(chǎng)方向產(chǎn)生原纖化作用,表觀粘度增加。ERF具有響應(yīng)時(shí)間短,消耗功率低,性能穩(wěn)定,加工簡(jiǎn)單等性能。因此,可以用在機(jī)械工程(例如發(fā)動(dòng)機(jī)防震墊、減震器、離合器電致流變閥門機(jī)器人手臂等)和一些控制系統(tǒng)。近幾年,ERF被開發(fā)用作一些新的設(shè)備上,例如人工肌肉激勵(lì)器、宇宙飛船減震器、電致觸感顯示器、光子晶體。5.3用于傳感器和器體結(jié)構(gòu)的聚合物材料導(dǎo)電聚合物材料是一類兼具高分子特性及導(dǎo)電體特征的高分子材料。根據(jù)電荷載流子的種類,導(dǎo)電聚合物被分為電子CP和離子CP。以自由電子或空穴為載流子的導(dǎo)電聚合物稱為電子CP,其共同特征是分子內(nèi)含有大的線性共軛π電子體系。電子CP主要有聚乙炔、芳香單環(huán)、多環(huán)以及雜環(huán)的共聚物或均聚物。以正、負(fù)離子為載流子的導(dǎo)電聚合物稱為離子CP,主要有聚醚、聚酯和聚酰亞胺。這些聚合物分子的聚合物溶劑化能力強(qiáng),有利于鹽解理成離子或形成聚和絡(luò)合物。需要指出的是,僅有長(zhǎng)鏈共軛體系的聚合物只能算作是半導(dǎo)體,其導(dǎo)電能力還無法與金屬導(dǎo)體相比,因此需要摻雜微量添加劑來提高其導(dǎo)電能力。在導(dǎo)電聚合物的氧化還原過程中,電導(dǎo)率、光吸收率、滲透性、疏水性和儲(chǔ)電能力都的改變均可控,因此,這種材料可以用作化學(xué)傳感器、晶體管、濾光器、電容器、電池等。同時(shí),材料受到構(gòu)象轉(zhuǎn)換、溶劑、摻雜的離子、電致伸縮共同作用而改變尺寸。聚吡咯(PPy)是共軛高聚物中少數(shù)穩(wěn)定的聚合物之一,具有高電導(dǎo)率。外加電場(chǎng)后,PPy發(fā)生氧化還原反應(yīng),離子遷移導(dǎo)致PPy體積改變。PPy的疏水性與氧化態(tài)有關(guān),影響PPy的電化學(xué)機(jī)械性能。例如,隨還原反應(yīng)進(jìn)行,疏水基團(tuán)迅速增加,這樣陰離子很容易脫離出來,然后與疏水陽離子結(jié)合。另外,電場(chǎng)電壓對(duì)機(jī)械性能有很大影響,因此,聚合物氧化還原態(tài)的轉(zhuǎn)換將影響電連接器的效率。PPy具有良好的機(jī)電響應(yīng)和生物相容性,可以用于生物相關(guān)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器。通常,PPy驅(qū)動(dòng)器需要電解溶液,這就限制了這種驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。Lee等開發(fā)了PPy固體電解液,以代替電解溶液,而且發(fā)現(xiàn)加入含LiCl的Nafion效果更好。他們將這種固體電解液用于仿生驅(qū)動(dòng)器和藥物釋放系統(tǒng)。傳統(tǒng)的導(dǎo)電聚合物驅(qū)動(dòng)器(例如PPy)在低電壓下即有較大的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力,但是應(yīng)變、應(yīng)變速率一般。Anquetil等報(bào)道了一種噻吩基導(dǎo)電聚合物分子驅(qū)動(dòng)器,具有場(chǎng)致分子構(gòu)象轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。噻吩低聚物具有π-π大共軛體系,發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)時(shí),分子可逆變形,產(chǎn)生分子驅(qū)動(dòng)作用。他們還利用單分子技術(shù)將材料制成仿生肌肉驅(qū)動(dòng)器,這種驅(qū)動(dòng)器可以用在仿生機(jī)器人、人工器官、納米或微米設(shè)備上。聚苯胺也是一種常用的導(dǎo)電聚合物,并且具有較高的電導(dǎo)率和電荷儲(chǔ)存能力、較好的環(huán)境穩(wěn)定性、原料易得及制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是,芳香結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聚苯胺通常是半剛性的,產(chǎn)生鏈間氫鍵作用和電荷離域作用。聚苯胺的剛性使其難以傳統(tǒng)的加工方法(例如擠出、注射成型)加工。González等得到電導(dǎo)率為102S/cm的聚苯胺粘彈性凝膠,溶劑為甲酚,以保證凝膠網(wǎng)絡(luò)的粘彈性,并提供較高的電導(dǎo)率。Berry等以過硫酸鈉為氧化劑聚合得到木素磺酸摻雜的聚苯胺。他們發(fā)現(xiàn)ligno-pani的氧化還原作用在pH值10.0下仍起作用。因此,這種聚苯胺在深水環(huán)境(pH≈9)中可以使用,也為其在腐蝕環(huán)境中使用提供了可能性。5.4聚合物導(dǎo)電材料和化學(xué)能源發(fā)電技術(shù)離子聚合物可以通過凝膠法得到,并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用,這種驅(qū)動(dòng)作用和生物肌肉的驅(qū)動(dòng)力及彈性能密度相似。這種材料在酸性環(huán)境中可發(fā)生化學(xué)反應(yīng),凝膠伸縮,產(chǎn)生電活性。Calvert等成功地使離子聚合物凝膠產(chǎn)生電致伸縮響應(yīng)。他們給電極施加電壓,使陽極部分酸性增加,聚合物產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。但是,離子在凝膠中擴(kuò)散緩慢導(dǎo)致響應(yīng)相對(duì)較慢。層狀凝膠結(jié)構(gòu)的伸縮響應(yīng)一次可以維持20min之久,但是較大的誘導(dǎo)應(yīng)變破壞了電極,反復(fù)使用兩三次后便不能再使用。因此,開發(fā)薄層驅(qū)動(dòng)器和耐久的電極技術(shù)成為棘手的問題。這種聚合物導(dǎo)電,電泳或電滲拖拉機(jī)理導(dǎo)致構(gòu)象重排,聚合物吸收了溶劑(一般是水)后膨脹,電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(氧化/還原)。Ben等研究了IPG體積改變時(shí)的一價(jià)和二價(jià)陽離子的作用。他們發(fā)現(xiàn)在二價(jià)陽離子溶液中水解時(shí),凝膠先收縮后膨脹,然而在相同濃度和pH值的一價(jià)離子溶液中直接膨脹。這可能是由于凝膠中離子對(duì)堆疊產(chǎn)生離子交聯(lián),而二價(jià)離子的堆疊強(qiáng)于一價(jià)離子。YoshihitoOsada等研制了一種化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī),他們將聚合物凝膠浸入有機(jī)溶劑中(例如酒精)獲得旋轉(zhuǎn)力。當(dāng)帶有溶劑的聚合物凝膠漂浮在水中時(shí),有機(jī)溶劑放電并且立刻表現(xiàn)出活性。通過不斷地補(bǔ)充凝膠,保持發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到400r/min如果不補(bǔ)充有機(jī)溶劑,發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作3h。他們通過一個(gè)發(fā)電機(jī)將化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為電能,瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)可以達(dá)到15mV,得到2.1×10-7J能量。證明了化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。這種發(fā)電機(jī)作為一種無污染的燃料電池,有很大的發(fā)展前景。5.5其他ipmc材料離子聚合物/金屬復(fù)合材料是一種新型的智能聚合物材料,具有電活性。聚合物基體通常是離子交換材料,用來選擇單電荷離子(陰離子或陽離子),因此,通常具有共價(jià)離子基團(tuán)。施加電場(chǎng)后離子從材料中遷移出來,其運(yùn)動(dòng)方向與極化方向有關(guān),遷移速率與施加的電壓和材料性能有關(guān)。IPMC材料質(zhì)輕,柔性好,只需低電壓(<3V)即可產(chǎn)生較大形變,可在潮濕環(huán)境中使用,而且具有生物相容性,可制成細(xì)長(zhǎng)條形狀。表2將IPM