离子型电活性聚合物

　　离子型电活性聚合物是近30 年兴起的一种智能电驱动材料，它可以代替电机将电能转换成机械能，被誉为“离子型人工肌肉”，可作为柔性致动器和传感器用于仿生机械、医疗器械等领域。离子型电活性聚合物的研究涉及化学、材料、机械、控制等多个学科。本书从化学材料角度出发，阐述电活性聚合物的结构、性能与人工肌肉的驱动性能之间的关系，系统地总结了全氟磺酸、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚苯乙烯等聚合物人工肌肉的制备、表征与驱动性能评价。 本书可为人工肌肉的研制和开发人员提供参考，也可为高等院校电化学、仿生机械专业学生学习的教材。

　　郭东杰，教授/博士。从事智能材料、仿生材料的研制与应用。南京大学化学化工学院理学博士，美国科罗拉多大学机械工程系博士后、美国国家标准技术局（NIST）访问学者。河南省教育厅学术带头人，河南省高校科技创新人才支持计划。河南省化学会会员、中国航空学会会员、中国仿生工程学会会员、国际仿生工程学会基础会员。 已发表SCI论文40余篇，单篇论文SCI高引用百余次；国内核心期刊20余篇。申请国家发明专利16项，12项发明专利授权，1项发明专利技术转让。 国际学术期刊Langmuir、Chemical Communications、Journal of Materials Chemistry、Nanotechnology和国内《科学通报》《中国科学E》《中国科学G》《化学研究与应用》等杂志审稿人；国家自然科学基金工程与材料科学部工程二处机械工程学科、化学科学二处（催化与表界面、化学理论与机制）函评专家。

第1章　离子交换聚合物-金属复合材料 1
1.1　概述 2
1.2　IPMC的驱动平台和性能评价系统 5
1.2.1　IPMC的驱动平台 5
1.2.2　IPMC的驱动、测试平台设置 7
1.3　制约IPMC电致动响应的因素 12
1.3.1　聚合物母体膜 12
1.3.2　电极 21
1.3.3　溶剂化电解质离子 29
1.3.4　驱动信号 31
1.4　金属电极的封装 31
1.4.1　电镀PEDOT 32
1.4.2　纳米银dip-coating 39
1.5　IPMC电致动理论模型 50
1.5.1　电学模型 50
1.5.2　电场作用下水合阳离子的迁移 53
1.5.3　水分子的自由扩散 56
1.5.4　水分子的浓度分布 57
1.5.5　含水量分布 57
1.5.6　IPMC基底膜应变和应力与含水量的关系 58
1.5.7　弯矩的计算 59
1.5.8　位移输出与实验验证 59
1.5.9　IPMC直流电压下的模拟 59
1.5.10　IPMC阶梯电压下的模拟 63
1.5.11　IPMC正弦电压下的模拟 64
本章小结 67

第2章　全氟磺酸聚合物膜IPMC电驱动器 69
2.1　全氟磺酸聚合物 70
2.1.1　全氟磺酸系列聚合物 70
2.1.2　化学结构 70
2.1.3　基本的物理化学性能 72
2.1.4　微观结构模型 77
2.1.5　高分辨TEM图片 79
2.2　Nafion基IPMC的驱动性能与优化 80
2.2.1　多孔二氧化硅/Nafion杂化膜的制备与IPMC性能 82
2.2.2　磺化SiO2纳米胶杂化Nafion复合膜的制备与IPMC性能 87
2.2.3　磺酸化氧化石墨烯杂化Nafion的制备与IPMC性能 97
2.3　Nafion膜IPMC的应用 102
2.3.1　水下机构 102
2.3.2　真空下机构 103
2.3.3　生物医学领域 104
2.3.4　仿壁虎可逆黏附胶带 106
2.4　IPMC扑翼仿生结构设计与数值模拟 117
2.4.1　昆虫的飞行机理 118
2.4.2　IPMC驱动扑翼机构的设计 119
2.4.3　有限元模型的建立与前处理 121
2.4.4　不同俯仰函数对气动性能的影响 124
2.4.5　不同飞行参数对升阻力的影响 126
2.4.6　滑翔状态气动力分析 131
本章小结 134

第3章　聚偏二氟乙烯膜IPMC电驱动器 136
3.1　聚偏二氟乙烯的物理、化学性能 137
3.1.1　聚偏二氟乙烯概述 137
3.1.2　PVDF的亲水性 139
3.1.3　PVDF的多孔度 140
3.1.4　PVDF共聚物 145
3.2　PVDF基底膜的IPMC电驱动器 146
3.2.1　离子液驱动的纯PVDF膜IPMC 147
3.2.2　离子液驱动的PVDF膜共聚物IPMC 148
3.2.3　水驱动的PVDF杂化膜IPMC 148
3.3　水和离子液驱动的PVDF多孔膜IPMC电驱动器 149
3.3.1　实验部分 150
3.3.2　结果和讨论 152
3.4　PVDF衍生物的制备及IPMC应用 167
3.4.1　概述 167
3.4.2　磺酸化PVDF衍生物膜制备与表征 168
3.4.3　PVDF粉末中烯基含量的定量分析 168
3.4.4　PVDF的接枝表征 170
3.4.5　PVDF基多孔膜性能表征 171
3.4.6　PVDF基IPMC的制备与形态表征 172
3.4.7　IPMC机电响应的研究 173
3.5　PVDF膜IPMC的应用 174
3.5.1　PVDF膜IPMC电驱动器 174
3.5.2　PVDF膜应变传感器 175
3.5.3　Nafion膜应变传感器 177
3.5.4　Nafion/PVDF耦合应变传感器 178
本章小结 180

第4章　其他聚合物膜IPMC电驱动器 182
4.1　聚砜基IPMC 183
4.1.1　聚砜的结构与性能 183
4.1.2　聚砜的磺酸化与IPMC应用 183
4.1.3　磺化聚砜（SPSU）和SPSU膜的制备 184
4.1.4　聚砜衍生物的磺酸化与IPMC应用 185
4.2　聚苯乙烯基IPMC 196
4.2.1　纯SPS聚合物IPMC 197
4.2.2　SPS嵌段共聚物IPMC 197
4.2.3　SPS接枝共聚物IPMC 201
4.3　聚醚酮基IPMC 202
4.3.1　磺化聚醚醚酮的制备 202
4.3.2　磺化聚醚醚酮膜IPMC 203
4.4　聚乙烯醇基IPMC 204
4.4.1　磺化聚乙烯醇基IPMC 204
4.4.2　磺化聚乙烯醇杂化膜IPMC 205
本章小结 205

第5章　其他类型的离子型电活性聚合物 207
5.1　导电聚合物基驱动器 208
5.1.1　导电聚合物概述 209
5.1.2　导电聚合物驱动器的材料基础和致动机理 209
5.1.3　导电聚合物驱动器的应用 214
5.2　生物质离子型电活性聚合物 216
5.2.1　纤维素驱动器 216
5.2.2　聚合物掺杂纤维素膜驱动器 218
5.2.3　CP增强的纤维素膜驱动器 219
本章小结 219

参考文献 220