氧化硅改性全氟磺酸聚合物膜提升电致动器性能

氧化硅掺杂的全氟磺酸聚合物膜在电致动器中的应用是一项具有创新意义的研究，由何青松、张昊和郭东杰在南京航空航天大学进行。他们设计并制备了一种新型的离子交换聚合物薄膜，通过将二氧化硅掺入全氟磺酸聚合物中，实现了有机-无机杂化结构。这种杂化膜的特点是高多孔度和高模量，相较于传统膜有显著的性能提升。 薄膜的制备过程涉及全氟磺酸的酸性环境和二氧化硅溶胶-凝胶反应。利用二氧化硅前体四乙氧基硅，可以逐步形成二氧化硅颗粒，这些颗粒与全氟磺酸分子共结晶，形成稳定的结构。ATR-FTIR测试结果证实，这种杂化膜的保水性能大大提高，对于IPMC致动器内部水分的控制和性能优化至关重要。 机械性能测试显示，杂化膜的弹性模量和硬度大约是商业化膜的两倍，这意味着它具有更强的支撑能力，能够更好地承受大负载，从而改善了IPMC致动器的力输出。此外，通过制作成IPMC致动器，与未掺杂的膜相比，杂化膜表现出显著的电致动性能提升，电致动性能增加6-8倍，非水工作时间也延长了6-7倍。 传统的IPMC致动器存在力输出较低和非水工作时间短的问题，这些问题与膜内水分的迁移密切相关。通过优化膜结构，尤其是引入二氧化硅掺杂，研究团队成功地解决了这些问题，为IPMC技术的发展提供了新的可能。虽然一些研究已经尝试了使用低价金属复合电极和离子液替代水，但杂化膜方法在保持低电压驱动和延长工作时间的同时，兼顾了更好的机械性能，显示出更高的综合优势。 总结来说，这篇首发论文介绍了氧化硅掺杂的全氟磺酸聚合物膜在电致动器中的关键应用，包括其独特的制备方法、性能增强以及在实际应用中的优势，这对于推进电致动聚合物技术和离子聚合物金属复合材料的发展具有重要价值。