殼聚糖凝膠導(dǎo)電聚合物電致動器的制備

吳露露 張敬偉 李函 林川 張博 葛福琛

摘 要：為了獲得雙層和三層導(dǎo)電聚合物電致動器，需要在不導(dǎo)電的的柔性聚合物上涂覆上導(dǎo)電物質(zhì)，例如金、鉑，以確保導(dǎo)電聚合物的電化學(xué)沉積的高導(dǎo)電性[1]。在本項(xiàng)研究中，我們通過在石墨中摻雜聚吡咯的導(dǎo)電涂層替代了原先的金屬層，制備了殼聚糖凝膠導(dǎo)電聚合物電致動器。此外，還進(jìn)行了多組單因素實(shí)驗(yàn)測試并分析其對致動器的影響，找到其最佳的制備工藝，從而降低了材料的制作成本。通過實(shí)驗(yàn)證明，殼聚糖凝膠導(dǎo)電聚合物電致動器時(shí)生物組織接口的理想候選者[2]，可應(yīng)用于微傳感器和組織工程，尤其是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：殼聚糖;致動器;彎曲;聚吡咯

1.前言

近年來，隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的發(fā)展，輕巧，微型，靈活的驅(qū)動設(shè)備已成為社會發(fā)展的重點(diǎn)，機(jī)電一體化，人造肌肉就是經(jīng)典例子之一。與傳統(tǒng)人造肌肉相比，電活性聚合物（EAP）具有柔韌性好，重量輕和變形大等優(yōu)點(diǎn)，因此備受歡迎，在電場的刺激下，EAP可快速實(shí)現(xiàn)尺寸和變形膨脹的變化，成為傳感器和執(zhí)行器的理想選擇。

EAP主要包括電場類型和離子類型。離子型EAP由于其優(yōu)越的特性而備受矚目（在相同條件下施加的電壓小，變形大，快速響應(yīng)）。但是由于電場型EAP需要達(dá)到材料超高的擊穿電壓，因此這種EAP正逐漸消失。

在過去的幾十年中，IPMC由于其出色的輸出變形和響應(yīng)速度在仿生機(jī)器人、微型醫(yī)療設(shè)備和水下推進(jìn)方面有杰出成就。但是，電極是IPMC的致命缺陷，并且由于其在空氣中易流失水的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了IPMC的應(yīng)用，這種特性導(dǎo)致其壽命短，導(dǎo)電聚合物響應(yīng)速度非常慢，在工程應(yīng)用上并不理想。與傳統(tǒng)導(dǎo)電聚合物和IPMC相比，離子型EAP與羰基衍生物的相容性更利于制備柔性電極，響應(yīng)速度更快，制備形式更多樣化。因此在本研究中，我們提出了一種殼聚糖凝膠電制動器[2]。

2.殼聚糖凝膠導(dǎo)電聚合物電致動器的制備

取一定量的殼聚糖并加入一定量的2%乙酸溶液，放入燒杯中，然后將燒杯放入磁力攪拌器中在適宜溫度下的水浴中加熱攪拌若干分鐘，直到大部分殼聚糖溶解為止。然后將適量的石墨加入殼聚糖溶液中，再通過磁力攪拌器攪拌數(shù)分鐘，直到充分混合。放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行消泡處理若干分鐘。隨后將混合溶液澆鑄在硅膠烘烤墊3x4厘米的區(qū)域，使與硅膠接觸的薄膜表面呈現(xiàn)多孔形貌。然后將其置于真空干燥箱中干燥，溫度設(shè)定在適宜即可，真空度為-0.05MPa，真空干燥若干小時(shí)。取出薄膜，將其置于燒杯中，將一定濃度的摻雜酸和吡咯混合溶液攪拌充分后加入到燒杯中;一定時(shí)間后，加入一定量的過硫酸銨（APS）溶液，使吡咯氧化聚合，與殼聚糖形成互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）使其不分層，控制反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間;將殼聚糖薄膜取出，用蒸餾水反復(fù)沖洗，洗去薄膜表面吸附不牢的聚吡咯。

2.1. 單因素實(shí)驗(yàn)的研究

2.1.1.干燥時(shí)間的選擇

固定殼聚糖的用量為0.36g，固定乙酸用量、石墨用量、真空干燥溫度、磁力攪拌速度等變量，改變真空干燥時(shí)間分別為1h，2h，3h，4h，觀察真空干燥后殼聚糖薄膜的形貌并進(jìn)行篩選，并以反映彎曲的偏轉(zhuǎn)角度大小確定最佳的殼聚糖導(dǎo)電聚合物。

隨著干燥時(shí)間的不斷增加，殼聚糖導(dǎo)電聚合物的彎曲程度先增加再減少。當(dāng)干燥時(shí)間為3h時(shí)，彎曲程度達(dá)到最大。這是由于干燥時(shí)間過短時(shí)，導(dǎo)致膜表面仍有水分殘留或無法成膜。干燥時(shí)間過長時(shí)，會形成表面有大量的氣孔、表面缺陷多的薄膜。

2.1.2.攪拌速度的選擇

固定殼聚糖的用量為0.36g，固定乙酸用量、石墨用量、真空干燥時(shí)間、真空干燥溫度、等變量，改變磁力攪拌速度分別為10r/min、15r/min，20r/min，25r/min，30r/min，觀察真空干燥后殼聚糖薄膜的形貌并進(jìn)行篩選，并以反映彎曲的偏轉(zhuǎn)角度大小確定最佳的殼聚糖導(dǎo)電聚合物。

隨著攪拌速度的不斷增加，殼聚糖導(dǎo)電聚合物的彎曲程度先增加再減少。在攪拌速度為20r/min時(shí)，彎曲程度達(dá)到最大。這是由于當(dāng)攪拌速度較小時(shí)，殼聚糖未完全溶解;當(dāng)攪拌速度較大時(shí)，燒杯中的轉(zhuǎn)子極度不穩(wěn)定，殼聚糖也不能完全溶解，從而導(dǎo)致制作出來的薄膜表面形態(tài)粗糙、有開裂的現(xiàn)象。

3.結(jié)論

總而言之，我們研究了一種高度相容的殼聚糖基導(dǎo)電聚合物電致動器，該電致動器由石墨以及殼聚糖和離子液體所組成，它結(jié)合了基質(zhì)的良好加工性和導(dǎo)電性。本文研究了干燥時(shí)間和攪拌速度對致動器的影響，結(jié)果表明，這兩個(gè)因素的變化使殼聚糖膜的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生了很大的變化，從而對殼聚糖凝膠導(dǎo)電聚合物電致動器的性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[2]。結(jié)合實(shí)際因素，這項(xiàng)研究提出了生物相容性制備工藝，并得出了最佳的制備工藝條件為干燥時(shí)間為3h，攪拌速度20r/min，為仿生人工致動器領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

[1] R. Kiefer，R. Temmer，T. Tamm，J. Travas-Sejdic，P.A. Kilmartin，Conducting polymer actuators formed on MWCNT and PEDOT-PSS conductive coatings，Synthetic Metals，171 69-75.

[2] G. Zhao，Z. Wang，H. Zhao，J. Yang，Investigation into the bending force performance of the Chitosan based electric actuator manufactured by freeze-drying，Materials Research Express，6（2018）.

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910214070）

作者簡介：吳露露（1999?），女，河南省項(xiàng)城市人，在讀本科生，專業(yè)為食品科學(xué)與工程。