專利名稱：離子聚合物裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型離子聚合物裝置結(jié)構(gòu)以及制備能夠被配置作為致動器 (actuator)、傳感器和轉(zhuǎn)換器(transducers)的離子聚合物裝置的新型方法。
背景技術(shù)：
離子聚合物或含離子鍵的聚合物復(fù)合材料是電活性聚合物和功能性智能材料的 新興類型之一，其可以被制成軟彎曲的致動器和傳感器。該材料最初被制造用于燃料電池 應(yīng)用，直到1992年才發(fā)現(xiàn)其獨特的仿生傳感-致動性能。典型的離子聚合物致動器/傳感 器元件包括在中間的薄聚電解質(zhì)離子交換聚合物膜作為介電層，以及在所述含離子鍵的聚 合物膜的相反兩表面上的電鍍金屬層作為電極。所述離子交換聚合物通常具有憎水性主鏈 和帶負電的親水性官能團(陰離子)作為側(cè)鏈。這些側(cè)鏈與帶正電的移動陽離子結(jié)合。當(dāng) 所述離子交換聚合物吸收溶劑時，在所述聚合物基體內(nèi)形成相互連接的包含溶劑的簇網(wǎng)。 當(dāng)陰離子被固定在聚合物主鏈(聚合物基體)上時，在進行電激勵時陽離子在溶劑內(nèi)從一 簇自由移動到另一簇。傳統(tǒng)的離子聚合物復(fù)合材料使用全氟化的離子交換聚合物作為基礎(chǔ) 聚合物，例如全氟_磺酸聚合物(Nafion )和全氟_羧酸聚合物(Flemion )。這些材料是 柔性的且具有小的機械剛度。當(dāng)對離子聚合物致動器施加電位時，未鍵合的陽離子能夠通過溶劑移入簇中或從 簇中移出，并且在離子聚合物內(nèi)重新分布以形成陽極和陰極界面層。通過彈性阻力平衡的 靜電力和滲透壓力的變化促使溶劑進入界面層簇或從界面層簇中移出，并且引起在該界面 層上的相互連接簇的體積變化。這種體積變化導(dǎo)致致動器的變形或彎曲。電荷分布和吸水 量的變化可以通過相關(guān)聯(lián)的化學(xué)-電-機械公式計算。由于離子聚合物材料的緊湊的尺寸、輕的重量和由所制得的材料切割成任意形狀 的能力，所以它提供顯著優(yōu)于常規(guī)的機電材料和系統(tǒng)的優(yōu)點。所制造的裝置要求僅僅適中 的操作電壓。離子聚合物致動器能夠通過產(chǎn)生大的彎曲變形來響應(yīng)小的電刺激，而離子聚 合物傳感器通過產(chǎn)生電信號來響應(yīng)機械變形(或振動)。離子聚合物的突然彎曲產(chǎn)生小的 電壓(在mV的范圍內(nèi))。此外，通過改變微結(jié)構(gòu)、電輸入、陽離子組成以及溶劑的類型和量， 可以設(shè)計致動/傳感功能。該材料是生物相容的，并且可以在各種溶劑中進行操作。它可 以被開發(fā)為提供用于生物醫(yī)學(xué)和機器人應(yīng)用的新型自集成材料體系。能夠影響基于離子聚合物的傳感器/致動器的相關(guān)聯(lián)的化學(xué)-電-機械響應(yīng)的許 多因素之一是電極形態(tài)和有效電容。在離子聚合物裝置上形成電極的傳統(tǒng)制備方法包括 首先使已經(jīng)固化的聚合物膜的表面粗糙并且進行清洗；使能夠進行化學(xué)還原的物質(zhì)從聚合 物表面上被吸收；以及還原所吸收的物質(zhì)以形成電極。它通常需要重復(fù)吸收和還原步驟以 使更多的物質(zhì)擴散到所述離子聚合物膜中，從而需要過長且昂貴的工藝。然而，物質(zhì)擴散進 入聚合物膜中仍限于離膜表面小于約20微米。不僅制備過程昂貴，而且離子聚合物致動器 /傳感器的性能也受到導(dǎo)電材料的擴散限制的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供新型離子聚合物裝置或離子聚合物致動器/傳感器，以及使 得具有更為簡單、便宜和快速制備工藝的制備技術(shù)。該制備方法通過在聚合物相和導(dǎo)電相 或電極之間產(chǎn)生大的界面面積來增加離子聚合物裝置的電容，從而改善其致動性能和靈敏度。本發(fā)明的方法和裝置各自具有幾個方面，并且每個方面不僅只負責(zé)其所希望的特 性。不限于本發(fā)明的范圍，將簡要討論更為顯著的特征。一些實施方式提供一種離子聚合物復(fù)合材料裝置，其包含兩個延伸的電極層和在 所述兩個延伸的電極層之間的包含第二離子聚合物的介電層，每個延伸的電極層包含第一 離子聚合物和多個導(dǎo)電顆粒，其中所述第二離子聚合物是第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍 生物。一些實施方式提供一種離子聚合物復(fù)合材料裝置，其包含兩個延伸的電極層和 介電層，每個延伸的電極層包括含有具有高溶脹比的第一離子聚合物的許多區(qū)域和包含具 有基本上連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物的基體相，其中所述多個區(qū)域被嵌入所述基體相 中；該介電層在所述兩個延伸的電極層之間，包含第二離子聚合物，其中所述第二離子聚合 物是第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。在一些實施方式中，所述磺化的聚醚砜聚合物是由如下化學(xué)式之一表示的
O __一_ O __ _
toon](化學(xué)式 υ
NaO3S 0 SO3Na0其中X為約30 約70;
NaO3S ° SO3NaR RR R0(化學(xué)式II)其中R是H或F，y和ζ中的每個為約30 約70 ；以及
AAA^^-^^A (化學(xué)式 III)
AA其中A獨立地為
制分。^Of或0H， 至少一個A是
NaO3SSO3Na
NaO3SSO3Na
ο一些實施方式提供一種制備離子聚合物復(fù)合材料裝置的方法，其包括提供至少 一種混合物，該混合物包含分散在第一離子聚合物溶液中的所述多個導(dǎo)電顆粒，該第一離 子聚合物溶液包含第一磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物；通過固化所述至少一種混合物形 成兩個離子聚合物層，其中所述多個導(dǎo)電顆粒被分布在所述兩個離子聚合物層的每層內(nèi)； 以及使介電層位于所述兩個離子聚合物層之間以形成離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中所述介電層包含第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。一些實施方式提供一種制備離子聚合物復(fù)合材料裝置的方法，該方法包括提供 液體混合物，該液體混合物包含溶解在溶劑中的所述離子聚合物、基體相聚合物和多個導(dǎo) 電顆粒；通過將所述液體混合物覆在基板上并且干燥，形成兩個延伸的電極層；提供包含 磺化的聚醚砜聚合物的介電層；以及將所述介電層結(jié)合在兩個延伸的電極層之間以形成所 述離子聚合物復(fù)合材料裝置。


通過下面旨在說明而不限制本發(fā)明的說明書及附圖(并不按比例)，本發(fā)明的這 些和其它方面將是容易理解的，其中圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的致動器/傳感器裝置的一個實施方式。圖2是圖1的離子聚合物裝置的聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的橫截面圖。圖3A-3D顯示了沿圖1中的所述裝置的實施方式的聚合物復(fù)合材料厚度不同橫截 面的顆粒濃度分布。圖4A-4D顯示了表面電極層的不同構(gòu)造。圖5顯示了在延伸的電極層上大離子交換容量(IEC)的離子聚合物的溶脹效應(yīng)。圖6顯示了相分離聚合物結(jié)構(gòu)的橫截面圖。圖7顯示了在容器中形成的復(fù)合材料層的一個實施方式的橫截面圖。圖8A顯示了待被結(jié)合以形成聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的兩個聚合物-顆 粒層和一個離子聚合物介電層的橫截面圖。圖8B顯示了待被結(jié)合以形成聚合物復(fù)合材料的另一個實施方式的四個聚合 物_顆粒層和一個離子聚合物介電層的橫截面圖。圖8C顯示了待被結(jié)合以形成聚合物復(fù)合材料的兩個聚合物-顆粒層的另一實施 方式的橫截面圖。圖9顯示了說明用于形成圖1的離子聚合物裝置的聚合物復(fù)合材料的另一種方法 的流程圖。圖IOA顯示了待被結(jié)合以形成聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的兩個聚合物-顆 粒層的橫截面圖。圖IOB顯示了待被結(jié)合以形成聚合物復(fù)合材料的另一實施方式的兩個聚合物-顆 粒層和一個離子聚合物介電層的橫截面圖。圖11顯示了說明用于形成離子聚合物裝置的另一實施方式的聚合物復(fù)合材料的 方法的流程圖。圖12A顯示了附著有印記板的聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的橫截面。圖12B顯示了已經(jīng)去除所述印記板后聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的橫截面。圖13顯示了待被結(jié)合以形成所述離子聚合物裝置的一個實施方式的兩個印記層 和固體離子聚合物層的橫截面圖。圖14A-14C是顯示所述聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的電極形態(tài)的掃描電鏡 (SEM)圖。圖15A-15D是顯示所述聚合物復(fù)合材料的另一實施方式的電極形態(tài)的SEM圖。
圖16A-16B是顯示結(jié)合后的聚合物復(fù)合材料的一個實施方式的橫截面圖的SEM圖像。圖17是顯示在所述聚合物復(fù)合材料的一個實施方式中的導(dǎo)電顆粒分布的能量色 散X-射線散射分析(EDX)行掃描圖。圖18是幾種聚合物復(fù)合材料裝置的位移％作為輸入電壓的函數(shù)圖。
具體實施例方式如下詳細描述涉及本發(fā)明的某些具體實施方式
。然而，本發(fā)明可以以多種不同方 式進行實施。在本說明書中，參考附圖進行說明，其中整個附圖中相同部分由相同的數(shù)字表
7J\ ο本發(fā)明的實施方式提供一種用于制備離子聚合物裝置的新型聚合物和電極材料。 一些實施方式也可以被配置為傳感器或致動器。致動器將電刺激轉(zhuǎn)化為幾何變形和力輸 出，而傳感器將所述幾何變形和力輸入轉(zhuǎn)換為電信號。已經(jīng)改進了致動和傳感性能。使用 這些相對不貴的材料成分還用于降低制造所述裝置的成本。設(shè)計本發(fā)明方法的實施方式，以增加聚合物相和導(dǎo)電相之間的界面面積，用于優(yōu) 化各種離子聚合物裝置的性能和靈敏度。改善的電極形態(tài)使得由該方法制得的離子聚合物 裝置顯示出大的有效電容，從而獲得提高的致動和/或傳感能力。本發(fā)明的方法也能夠有 效制備功能性聚合物復(fù)合材料。該方法包括較少的步驟，并且允許更好地控制離子聚合物 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。該方法簡單、便宜和更為有效。該方法的某些實施方式適于被采用制備 各種尺寸例如厚度為微米至厘米級、以及不同構(gòu)造例如單個裝置、傳感器/致動器陣列、系 統(tǒng)或復(fù)雜裝置的離子聚合物裝置。圖1描述了離子聚合物裝置的某些實施方式，該離子聚合物裝置包含聚合物復(fù)合 材料11和在所述聚合物復(fù)合材料11的兩個相反表面上的至少一層導(dǎo)電層13作為表面電 極。由至少一種離子聚合物制得所述聚合物復(fù)合材料11。離子聚合物也被稱為離子交換 聚合物和含離子鍵的聚合物，可以是陽離子交換聚合物或陰離子交換聚合物。在一些實施 方式中，根據(jù)應(yīng)用聚合物復(fù)合材料11的厚度可以是幾微米到幾厘米。在優(yōu)選的實施方式 中，全部聚合物復(fù)合材料的厚度可為約Iym 約10cm，優(yōu)選約10 μ m 約1cm，更優(yōu)選約 100 μ m 約 Imm0所述離子聚合物復(fù)合材料包含兩個延伸的電極層31和夾在兩個延伸的電極層31 之間的離子聚合物介電層32。所述兩個延伸的電極層31的每層包含具有多個導(dǎo)電顆粒12 的至少一種離子聚合物。在一些實施方式中，所述多個導(dǎo)電顆粒12在所述兩個延伸的電極 層31的每層中形成濃度梯度。在一些實施方式中，所述多個導(dǎo)電顆粒12被充分分散在延 伸的電極層31內(nèi)。當(dāng)顆粒不團聚時，所述多個導(dǎo)電顆粒被認為是充分分散的，并且在一些 實施方式中，所述顆?？山咏趩畏稚?。通常，導(dǎo)電顆粒12可以是任何納米或微米級的導(dǎo) 電的顆粒。導(dǎo)電顆粒12的非限制性實例是金屬顆粒例如Pt、Au、Ag、Ni、Cu和Pd，非金屬顆 粒例如導(dǎo)電聚合物、碳納米管和石墨。金屬顆?？梢允侨魏涡螤?，并且可以是預(yù)形成(在聚 合物中由金屬鹽還原形成)或市售獲得的。每個延伸的電極層31的厚度可以是在干燥狀態(tài) 下的全部聚合物復(fù)合材料厚度的約 約49%，優(yōu)選約10% 約40%、更優(yōu)選約15% 約 30%。
在一些實施方式中，介電層32包括至少一種磺化的聚醚砜(SPES)聚合物或其衍 生物。在一些實施方式中，所述延伸的電極層31還可以包含至少一種SPES聚合物或其衍 生物。SPES聚合物或其衍生物是芳香族磺化的離子交換共聚物。與傳統(tǒng)的離子聚合物相 比，SPES聚合物提供一種高粘度的聚合物溶液，因此使得將導(dǎo)電顆粒分散在延伸的電極層 中更容易。SPES聚合物還具有增強的熱穩(wěn)定性，并且具有抗氧化和酸催化水解性。其結(jié)果 是，它具有增強的致動器可靠性，使施加更大的驅(qū)動電壓成為可能。SPES聚合物顯示出高離子交換容量(IEC)，例如在約0. 9meq/g和約3. 3meq/g之 間。IEC是表示離子交換聚合物的陽離子導(dǎo)電性的參數(shù)。它測量了在固定量的離子交換聚 合物內(nèi)的官能團(或移動陽離子)的量，其以meq/g(每克聚合物毫當(dāng)量摩爾的官能團)。 在一些實施方式中，SPES聚合物的增加的IEC提供增加的陽離子導(dǎo)電性。IEC的范圍可以 為約0. 1 約10meq/g，例如約0. 9 約4meq/g。在一些實施方式中，SPES聚合物的IEC也 是可以設(shè)計的。例如，SPES聚合物的IEC可以被設(shè)計為約1.4 約3. 3meq/g，并且被稱為 具有高IEC。在另一實施例中，IEC可以被設(shè)計為約1. 8 約3. 3meq/g,并且被稱為具有更 高的IEC，或者對于某些應(yīng)用例如在各向異性溶脹結(jié)構(gòu)中的中間純聚合物層，具有優(yōu)選的范 圍。另外，與傳統(tǒng)的Naficm^和Flemion 聚合物相比，SPES聚合物還具有更好的機 械性能，例如更高的剛度，因此可以提供更大的力輸出。因為SPES聚合物由容易獲得且便 宜的單體制得，所以它可以降低離子聚合物復(fù)合材料裝置的成本。在一些實施方式中，SPES聚合物可以由以下式來表示
O __ __ O __ _(化學(xué)式 υ
NaO3S 0 SO3Na0其中，χ為約30 約70 ；(化學(xué)式 II)其中R是H或F，y和ζ中的每個為約30 約70 ；以及
AAΑ^^^^-Α (化學(xué)式 III)
AA其中A獨立地為 制分O^Of或0Η， 至少一個A是
NaO3SSO3Na
NaO3SSO3Na
ο在一些實施方式中，更多種類型單體被用于形成化學(xué)式I、II和III的聚合 物，因此它們是共聚物。在每種這些聚合物中的單體或重復(fù)單元可以以隨機地、以交 替的順序或以嵌段形式分布。上述化學(xué)式中的χ、y和ζ表示用于形成所述聚合物的每種單體的百分比(％ )。例如，在化學(xué)式I中，當(dāng)χ為約30時，它意味著約30%的 _ ο _
和約70 % 的"^O"!"^。^^^ 被用于制 備化學(xué)式I的聚合物。還例如在化學(xué)式II中，當(dāng)y為約40，且Z為約50時，它意味著約
_ C) __R RR R
40% 的和約 10% 的i^^^o^^^^o—以及
NaO3S ° SO3NaR^1R r^r
約50%的被用于制備化學(xué)式II的聚合物。 ο在一些實施方式中，高分子量SPES可以用于延伸的電極層31和介電層32 二者。 例如，高分子量SPES可以具有大于約100,000的重均分子量。除了物理/化學(xué)性限制外， 對分子量沒有特別的上限。高分子量SPES的實例包括如上所示的化學(xué)式I和II?；瘜W(xué)式I 的 SPES 聚合物可以根據(jù)在"Direct polymerization of sulfonated poly (arylene ether sulfone)random(statistical)copolymers candidates for new proton exchange membrane，月莫禾斗學(xué)雜志(Journal of Membrane Science), 197, pp231-242，2002”中所公開的方法進行制備，將該文獻公開的內(nèi)容以引用的方式并入本文。 化學(xué)式I的SPES聚合物可以由以下所述的化學(xué)反應(yīng)的實施例來制備。由所公開的實施例， 通過改變反應(yīng)物的量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地獲得SPES聚合物 的不同變化。合成實施例Ia 化學(xué)式I (SPES-Ia)的合成將4，4，- 二氯二苯基砜 _3，3，- 二磺酸鈉鹽一水合物(30. 56g，0. 060mol)、4， 4，-二氯二苯基砜(34. 46g，0. 120mol)、4，4，-聯(lián)苯二酚(37. 24g，0. 200mol)、碳酸鉀 (33. 17g，0. 240mol)、N-甲基吡咯烷酮(220mL)和甲苯(170mL)添加到裝配有迪恩-斯塔 克收集器(Dien-Stark trap)、冷凝器、攪拌器和氮氣供氣管的四頸圓底燒瓶(IOOOmL)中。 將該混合物加熱到約160°C且回流2小時，然后將溫度升高至190°C，并且攪拌39小時以蒸 餾掉甲苯。在冷卻至110°C后，添加4，4’ - 二氟二苯基砜(5. 09g,0. 020mol)和N-甲基吡 咯烷酮(230mL)且攪拌1小時，然后在180°C下攪拌12小時。在剛冷卻后，該溶液被傾倒 入2500mL的水，沉淀化合物。過濾沉淀后的化合物，并且用蒸餾水徹底沖洗。通過隨后在 140°C下加熱干燥5小時，獲得目標(biāo)高分子量SPES。該反應(yīng)生成約91. Og的SPES-Ia，其回收率為約98. 5%。SPES-Ia的重均分子量為 約212，470，其分散性為約4. 21，并且離子交換容量為約1. 35meq/g。SPES-Ia表示化學(xué)式 I的聚合物，其中χ為30。合成實施例Ib 化學(xué)式I (SPES-Ib)的合成將4，4，-二氯二苯基砜-3，3，-二磺酸鈉鹽一水合物(76. 4g，0. 150mol)、4，4，-二 氯二苯基砜(21. 54g,0. 750mol)、4，4，-聯(lián)苯二酚(46. 55g，0. 250mol)、碳酸鉀(41. 46g， 0. 300mol)、N-甲基吡咯烷酮(230mL)和甲苯(270mL)添加到裝配有迪恩-斯塔克收集器、 冷凝器、攪拌器和氮氣供氣管的四頸圓底燒瓶(IOOOmL)中。將該混合物加熱到約160°C且 回流約2小時以蒸餾掉甲苯，然后將溫度升高至190°C，并且攪拌18小時。在冷卻至110°C 后，添加4，4’ - 二氟二苯基砜(6. 36g，0. 025mol)和N-甲基吡咯烷酮(230mL)且攪拌1小
11時，然后在180°C下攪拌25小時。在剛冷卻后，該溶液被傾倒入2500mL的水，沉淀化合物。 過濾沉淀后的化合物，并且用蒸餾水徹底沖洗。通過隨后在140°C下加熱干燥5小時，獲得 目標(biāo)高分子量SPES-Ib。該反應(yīng)生成約124. 5g的SPES-Ib，其回收率為約95. 2%。重均分子量為192,609， 其分散性為2. 60，并且離子交換容量為約2. 13meq/go SPES-Ib表示化學(xué)式I的聚合物，其 中χ為60?；瘜W(xué)式II的SPES聚合物可以通過與上述關(guān)于化學(xué)式I的SPES聚合物的類似過 程進行制備?；瘜W(xué)式II的SPES聚合物可以由以下所述的化學(xué)反應(yīng)的實施例來制備。通過 改變反應(yīng)物的量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間，由所公開的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地獲 得SPES聚合物的不同變化。合成實施例2a 化學(xué)式II (SPES-IIa)的合成，1；中R為F將4，4，- 二氯二苯基砜 _3，3，- 二磺酸鈉鹽一水合物(30. 56g，0. 060mol)、4， 4，-二氯二苯基砜(34. 46g，0. 120mol)、4，4，-聯(lián)苯二酚(37. 24g，0. 200mol)、碳酸鉀 (33. 17g，0. 240mol)、N_甲基吡咯烷酮(220mL)和甲苯(170mL)添加到裝配有迪恩-斯塔克 收集器(Dien-Stark trap)、冷凝器、攪拌器和氮氣供氣管的四頸圓底燒瓶(500mL)中。將 該混合物加熱到約160°C且回流2小時，然后將溫度升高至190°C，并且攪拌16小時以蒸餾 掉甲苯。在冷卻至110°C后，添加十氟聯(lián)苯(6. 68g,0. 020mol)和N-甲基吡咯烷酮(170mL) 且攪拌1小時，然后在140°C下攪拌9小時。在剛冷卻后，該溶液被傾倒入7000mL的水，沉 淀化合物。過濾沉淀后的化合物，并且用蒸餾水徹底沖洗。通過隨后在140°C下加熱干燥6 小時，獲得目標(biāo)高分子量SPES。該反應(yīng)生成約101. Ig的SPES-IIa，其回收率為約107.6%。SPES-IIa的重均分子 量為約225，940，其分散性為約4. 28，并且離子交換容量為約1. 27meq/g。SPES-IIa表示化 學(xué)式II的聚合物，其中y為30，ζ為60，且R為F。合成實施例2b 化學(xué)式II(SPES-IIb)的合成，其中R為F將4，4，- 二氯二苯基砜 _3，3，- 二磺酸鈉鹽一水合物(48. 38g，0. 095mol)、4， 4，-二氯二苯基砜(21. 83g, 0. 760mol)、4，4，-聯(lián)苯二酚(35. 38g, 0. 190mol)、碳酸鉀 (31. 51g，0. 228mol)、N-甲基吡咯烷酮(220mL)和甲苯(170mL)添加到裝配有迪恩_斯塔 克收集器、冷凝器、攪拌器和氮氣供氣管的四頸圓底燒瓶(IOOOmL)中。將該混合物加熱到 160°C且回流2小時以蒸餾掉甲苯，然后將溫度升高至190°C，并且攪拌36小時。在冷卻至 110°C后，添加十氟聯(lián)苯(6. 35g,0.019mol)和N-甲基吡咯烷酮(170mL)且攪拌1小時，然 后在180°C下攪拌9小時。在剛冷卻后，該溶液被傾倒入2500mL的水，沉淀化合物。過濾沉 淀后的化合物，并且用蒸餾水徹底沖洗。通過隨后在140°C下加熱干燥5小時，獲得目標(biāo)高 分子量SPES。該反應(yīng)生成約131.0g的SPES-IIb，其回收率為約135. 1%。重均分子量為約 634，600，其分散性為約8. 97，并且離子交換容量為約2. 06meq/g。SPES-IIb表示化學(xué)式II 的聚合物，其中y為50，ζ為40，且R為F。合成實施例2c 化學(xué)式II (SPES-IIc)的合成，其中R為F將4，4，- 二氯二苯基砜-3，3，- 二磺酸鈉鹽一水合物(67. 90g，0. 1333mol)、4， 4，- 二氯二苯基砜(47. 86g，0. 1667mol)、4，4，-聯(lián)苯二酚(62. 06g，0. 3333mol)、碳酸鉀(55. 27g，0.4000mol)、N-甲基吡咯烷酮(380mL)和甲苯(300mL)添加到裝配有迪恩-斯塔 克收集器、冷凝器、攪拌器和氮氣供氣管的四頸圓底燒瓶(500mL)中。將該混合物加熱到 160°C且回流2小時，然后將溫度升高至190°C，并且攪拌38小時以蒸餾掉甲苯。在冷卻至 110°C后，添加十氟聯(lián)苯(11. 14g，0. 0333mol)和N-甲基吡咯烷酮(300mL)且攪拌1小時， 然后在140°C下攪拌8小時。在剛冷卻后，該溶液被傾倒入7000mL的水，沉淀化合物。過濾 沉淀后的化合物，并且用蒸餾水徹底沖洗。通過隨后在140°C下加熱干燥6小時，獲得目標(biāo) 高分子量SPES。該反應(yīng)生成約180. 9g的SPES-IIc，其回收率為約110. 3%。SPES-IIc的重均分子 量為約424，100，其分散性為約6. 44，并且離子交換容量為約1. 44meq/g。SPES-IIc表示化 學(xué)式II的聚合物，其中y為40，ζ為50，且R為F。在一些實施方式中，在離子聚合物復(fù)合材料裝置中的至少一種離子聚合物是交聯(lián) 聚合物。該交聯(lián)聚合物可以用于所述延伸的電極層或介電層。所述交聯(lián)聚合物的一個實例 是化學(xué)式III的SPES聚合物?；瘜W(xué)式III的SPES聚合物可以根據(jù)JP2008-117750來制備， 該專利的公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。導(dǎo)電顆粒12可以充分分散在延伸的電極層31中，或者可以由于重力形成濃度梯 度。在某些實施方式中導(dǎo)電顆粒12的濃度分布顯示于圖3A-3C中。在一些實施方式中，所 述延伸的電極層31可以包含至少一層聚合物_顆粒層19或多層聚合物-顆粒層(參見圖 7和8A-8C)。聚合物顆粒層19包含離子聚合物基體中的多個導(dǎo)電顆粒12。在一些實施方 式中，構(gòu)成所述兩個延伸的電極層31的每個的所有聚合物-顆粒層19可以包含相同濃度 的充分分散的導(dǎo)電顆粒12。沿所述聚合物復(fù)合材料的厚度的濃度分布顯示出在從每個電極 的特定深度內(nèi)濃度不變，如圖3A所示。在一些實施方式中，所述多個導(dǎo)電顆粒12在所述兩個延伸的電極層31的每層中 形成濃度梯度，其中在所述延伸的電極層31的外部表面上具有較高的濃度。在一個實施方 式中，沿每個延伸的電極層31的厚度，所述濃度梯度可以從所述聚合物復(fù)合材料11的兩相 反表面(18a和18b)線性降低(圖3B)。在另一實施方式中，沿延伸的電極層31的厚度， 所述濃度梯度可以從聚合物復(fù)合材料11的兩相反表面(18a和18b)非線性降低(圖3C)。 在具有多層聚合物-顆粒層的實施方式中，每個聚合物_顆粒層19可以具有不同濃度的導(dǎo) 電顆粒12。在一個實施方式中，最內(nèi)層聚合物-顆粒層具有最低濃度的導(dǎo)電顆粒12，在每 個聚合物顆粒層19中，所述濃度向最外的聚合物-顆粒層19a逐漸增加。這也可以導(dǎo)致具 有圖3B或3C中濃度分布的聚合物復(fù)合材料。在其它的實施方式中，構(gòu)成延伸的電極層31的每個聚合物_顆粒層19可以包含 充分分散的導(dǎo)電顆粒12，這導(dǎo)致沿著聚合物-顆粒層的厚度基本上不變的濃度。通過將兩 個或更多個具有不同顆粒濃度的聚合物-顆粒層(例如圖8B中的19a和19b)放置在一起 以形成延伸的電極層31，導(dǎo)電顆粒濃度分布如圖3D中所示。在一些實施方式中，具有大表面積的導(dǎo)電納米顆?？梢苑稚⒃诰酆衔镏?，以在所 述導(dǎo)電層13與所述介電層32之間形成延伸的電極層31。在一些實施方式中，納米顆粒還 可以包括任何形式的納米材料，例如在至少一個維度上為納米級的材料。例如，納米線、納 米管、納米片、納米多孔結(jié)構(gòu)等。用于延伸的電極層31的導(dǎo)電顆粒包括貴金屬，例如金、鉬、銀、銥、錸、鈀、銠、釕和銅等。還可以使用其它金屬例如鋁、鐵、鎳、鋅和鉛等。在一些實施方式中，還可以使用上述 金屬的化合物或合金。在一些實施方式中，還可以使用非金屬材料作為制備延伸的電極層 的導(dǎo)電顆粒。其實例包括但不限于碳、硅、鍺、III-V族半導(dǎo)體、II-VI族半導(dǎo)體以及它們的 化合物和合金。在其它的實施方式中，還可以使用有機導(dǎo)體例如導(dǎo)電聚合物。盡管金和鉬已經(jīng)被用于形成延伸的電極層，但是它們的高價格導(dǎo)致制備致動 器-傳感器裝置的高成本。在一些實施方式中，銀納米顆粒(SNP)或碳納米顆粒(CNP)可 以被用作所述延伸的電極層31的導(dǎo)電顆粒以降低材料成本。介電離子聚合物層32是基本上不含導(dǎo)電顆粒12的離子聚合物膜的層。用于制 備介電離子聚合物層的離子聚合物的實例包括但不限制為=SPES聚合物、全氟-磺酸聚合 物、全氟_羧酸聚合物、聚苯乙烯_磺酸聚合物和全氟_叔銨聚合物。用于離子聚合物介電 層32的離子聚合物可以與用于在相同裝置內(nèi)的延伸的電極層31的離子聚合物相同或者不 同。典型的介電離子聚合物層32的厚度可以為在干燥狀態(tài)下的全部聚合物復(fù)合材料厚度 的約2% -約98%、優(yōu)選約20% -約80%、更優(yōu)選約40% -約70%。在一些實施方式中，可以在聚合物復(fù)合材料11的兩相反表面上沉積至少一層導(dǎo) 電層13。聚合物復(fù)合材料11的兩相反表面，即第一表面18a和第二表面18b，也是所述延 伸的電極層31a和31b的外部表面(參見圖2)。導(dǎo)電層13與所述兩個延伸的電極層31接 觸，并且用作離子聚合物復(fù)合材料裝置的表面電極。導(dǎo)電層13可以包含金屬例如Au、Pt、 Pd、Ir、Ru、Rh、Ag、Al、Ni和Cu。所述導(dǎo)電層13可以進一步包括非金屬，例如導(dǎo)電聚合物、碳 納米管和石墨或其它導(dǎo)電材料。在一些實施方式中，導(dǎo)電層13能夠通過端子15和導(dǎo)線17 與電源16連接，以被配置為致動器或傳感器元件。導(dǎo)電層13用于確保整個表面平面(從 端子15)的良好導(dǎo)電率，同時導(dǎo)電顆粒12確保(從導(dǎo)電層13)沿著所述延伸的電極層31 的厚度的導(dǎo)電率。在一些實施方式中，導(dǎo)電層13可以通過物理或化學(xué)沉積技術(shù)沉積在聚合物復(fù)合 材料上。其實例包括但不限于電鍍、無電鍍、化學(xué)氣相沉積、層壓、濺射鍍膜、熱蒸發(fā)、噴墨 印刷、涂覆(包括浸漬、刷涂和噴涂等)導(dǎo)電涂料，或者通過將金屬箔或金屬網(wǎng)狀物結(jié)合在 所述復(fù)合材料的表面18a和18b上。所述層的厚度可以為約IOnm 約500 μ m，優(yōu)選為約 IOOnm 約50 μ m,或者更優(yōu)選為約1 μ m 約5 μ m。所獲得的表面電極可以是連續(xù)的片、多 孔膜或網(wǎng)狀薄膜、或者平行的導(dǎo)線(圖4A-D)?？谷苊浘酆衔飶?fù)合材料結(jié)構(gòu)具有大IEC的SPES離子聚合物通常在吸入溶劑時具有大的溶脹比，例如約40% 約200%或者約60% 約150%的溶脹比。所述溶脹比依賴于聚合物類型及其IEC、溶劑 類型、有關(guān)的陽離子類型和聚合物熱處理歷史。例如，IEC為2. 03的干燥的(例如在放入 100°C的真空爐中整夜之后)高分子量SPES，在一周后于室溫下吸入去離子(DI)水之后，顯 示出約80%的體積增加。盡管大的IEC和高的溶劑含量改進了陽離子導(dǎo)電性，但是大的體 積增加可能對致動器_傳感器的性能具有某些負效應(yīng)。如圖5中所示，當(dāng)導(dǎo)電顆粒被分散在離子聚合物溶液中，并且該混合物進一步進 行固化程序時，這些導(dǎo)電顆粒在干燥的聚合物膜中緊密堆積。在水合時，所述聚合物復(fù)合材 料膜的溶脹將會引起納米顆粒的分離以及有效界面面積的降低，因此降低了當(dāng)量電容。致 動器-傳感器裝置的操作要求在所述延伸的電極層中的這些導(dǎo)電納米顆粒緊密堆積，即以接觸方式或以非常小的距離(幾個納米或更小)緊密堆積。另一方面，當(dāng)在所述復(fù)合材料 膜為干燥時，施加所述表面電極層時，在剛水合后，在所述延伸的電極層中的高IEC離子聚 合物將以極大的量膨脹，而表面電極層沒有變化。這種膨脹失配將在兩相鄰層之間產(chǎn)生力。 其結(jié)果是，所施加的表面電極將開裂或剝落，因此極大地降低了表面導(dǎo)電率。
在一些實施方式中，為了防止在所述延伸的電極層中的離子聚合物的過量體積變 化(從生產(chǎn)到操作)以及使總的陽離子導(dǎo)電率最大化，可以采用各向異性溶脹結(jié)構(gòu)。較低 IEC的離子聚合物可以用于所述延伸的電極層31以提供低的膨脹比，較高IEC的離子聚合 物可以用于介電層32以確保高的陽離子導(dǎo)電率。使整個結(jié)構(gòu)承受由具有較低膨脹比的所 述延伸的電極層所施加的橫向抑制力，因此在膜平面方向上具有相對較小的尺寸增加，而 在膜厚度方向觀測到更多的尺寸增加。其結(jié)果是，使導(dǎo)電顆粒分離最小化，并且導(dǎo)電層(例 如表面電極)更少可能開裂或剝落。在一些實施方式中，可以采用如圖6中所示的相分離結(jié)構(gòu)以降低總?cè)苊洷?。在圖 6中，相分離結(jié)構(gòu)被用于所述延伸的電極層31a和31b。該相分離結(jié)構(gòu)可以包括區(qū)域相60 和基體相61，該區(qū)域相60含有具有高溶脹比，例如溶脹比為約40% 約200%的離子聚合 物，該基體相61含有可以限制所述區(qū)域相中的離子聚合物的溶脹的聚合物。在一些實施 方式中，所述基體相聚合物可以是具有低溶脹比的非離子聚合物，例如溶脹比為約 約 40%，或者基本上零溶脹比(這意味著出現(xiàn)小于的溶脹比)。所述區(qū)域相聚合物可以是 具有大溶脹比的離子聚合物。在一些實施方式中，在區(qū)域相60中的聚合物可以具有基本上 連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在所述區(qū)域中進行離子導(dǎo)電。在一些實施方式中，所述基體相 61可以限制所述區(qū)域相60的溶脹。在一些實施方式中，所述基體相聚合物結(jié)構(gòu)可以用于所 述介電層32或者所述延伸的電極層31。在一些實施方式中，所述相分離結(jié)構(gòu)可以用于具有 混合其中的導(dǎo)電顆粒12的延伸的電極層31。在一些實施方式中，所述區(qū)域相60可以包含 至少一種SPES聚合物。該SPES聚合物可以選自上述化學(xué)式I、II或III。離子聚合物復(fù)合材料的制備描述用于制備圖1中所示的離子聚合物裝置的各種實施方式的幾種方法。一些實 施方式提供通過使用“預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒分散體”形成聚合物復(fù)合材料的方法，以生成延伸 的電極層。另一實施方式提供一種通過“原位還原”形成聚合物復(fù)合材料的方法，其中金屬 鹽在固化的聚合物復(fù)合材料中被還原以在延伸的電極層中形成納米和/或微米級的導(dǎo)電 金屬顆粒。在一些實施方式中，通常，首先制備聚合物復(fù)合材料，然后在聚合物復(fù)合材料的 兩相反表面上沉積導(dǎo)電層以形成電極。其它步驟例如陽離子交換和聚合物復(fù)合材料吸附溶 劑可以在形成電極之前或形成電極之后進行。預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒分散體幾個實施方式提供使用預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒制備離子聚合物裝置的離子聚合物復(fù) 合材料。預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒的非限制性實例可以是預(yù)先形成的或者購買的金屬顆粒、導(dǎo)電 纖維或簇鏈、石墨、碳納米管、導(dǎo)電聚合物以及它們的任意組合。預(yù)形成的金屬顆?？梢允?自合成的或購買的納米顆?；蚍勰ｎA(yù)形成的金屬顆粒的非限制性實例包括醇中的金納米 顆粒，其粒徑小于約lOOnm，優(yōu)選小于約30nm，或者更優(yōu)選小于約20nm，以及粉末狀銀納米 顆粒，其粒徑小于約lOOnm，優(yōu)選小于約30nm?！獋€實施方式提供制備離子聚合物復(fù)合材料的方法，包括提供至少一種混合物，該混合物包含分散在離子聚合物溶液中的多個導(dǎo)電顆粒；固化所述至少一種混合物以形成 至少兩個離子聚合物層；以及使至少兩個離子聚合物層結(jié)合以形成離子聚合物復(fù)合材料。 離子聚合物溶液可以通過將一種類型的SPES聚合物混入溶劑中來制備，所述溶劑為例如 醇、甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMA)或2-甲氧基乙醇。其 它合適的離子聚合物包括但不限于其它類型的SPES聚合物、全氟磺酸聚合物(Naf1()n )
或全氟羧酸聚合物(Flemien )、聚苯乙烯-磺酸聚合物和全氟叔銨聚合物等。聚合物溶液 的濃度可以為約1 約50wt%，優(yōu)選為約1 約20wt%，或者更優(yōu)選約5 約IOwt %?？?以使用混合技術(shù)例如超聲、攪拌、旋轉(zhuǎn)或者漩渦，以將所述聚合物溶于溶劑中。對于超聲，持 續(xù)時間可以為約1分鐘到幾天，優(yōu)選為約24小時或整夜。在一些實施方式中，可以使用兩 種或更多種混合方法。例如，超聲中間歇引入漩渦可以確保在微觀水平和宏觀水平上進行 混合ο在一些實施方式中，將預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒添加到離子聚合物溶液中以形成所希望 濃度的聚合物-顆粒混合物。在一些實施方式中，導(dǎo)電顆粒濃度可以為約1 約2000mg/ mL,或者優(yōu)選為約10 約200mg/mL。在室溫下將聚合物-顆?；旌衔镌俪暫烷g歇漩渦 足夠長時間，用于充分分散預(yù)成形的導(dǎo)電顆粒。還可以使用表面活性劑例如四辛基溴化銨 (TOAB)、含硫類(thio group)和樹枝狀高分子(dendrimer)等，以防止預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒 的團聚。例如可以形成TOAB-保護和硫-保護的金納米顆粒。在一些實施方式中，還可以 使用有機表面活性劑。在其它的實施方式中，可以將離子聚合物和導(dǎo)電顆粒單獨溶解或懸 浮以形成兩種單獨的溶液。然后，使用上述混合技術(shù)，可以將兩種溶液混合在一起。在混合和分散所述導(dǎo)電顆粒之后，可以任選地過濾聚合物-顆粒溶液以將溶液中 的瑕疵和未溶解/未分散的大顆粒排除。在一些實施方式中，可以使用高速混合器混合聚合物-顆?；旌衔铩８咚倩旌掀?的實例是FlackTek SpeedMixer DAC 150FVZ-K。將聚合物先驅(qū)體添加到溶劑例如DMF、 NMP或DMSO等中，在高速混合器中預(yù)混合約5 約120分鐘，約20 約100分鐘，或者約 50 約100分鐘?；旌纤俣瓤梢詾榧s500 約4000rpm，約500 約3500rpm，約1000 約 3500rpm、約2000 約3500rpm或者約2500 約3200rpm。然后將約1 約50wt%或者約 4 約32襯％的導(dǎo)電顆粒添加到混合后的聚合物溶液中。再將該混合物混合約5 約120 分鐘，約20 約100分鐘，或者約50 約100分鐘。在一些實施方式中，對于第二次混合 可以使用不同的速度。在一些實施方式中，高速混合物提供約IOG 約700G、約100G 約 600G、約350G 約550G或約400G的力。在一些實施方式中，高速混合物提供大于約10G、 大于200G、大于約350G或大于400G的力。在一些實施方式中，通過添加研磨介質(zhì)可以減 少混合時間。研磨介質(zhì)的非限制性實例包括由&02、Si02、Mg0、Ca0、Y203、Ce2O3或者它們的 衍生物所制成的陶瓷珠。在一些實施方式中，在混合之前將&02珠(約0. Imm 約5mm，或 者約1. 5 約2mm)添加到所述混合物中。在一些實施方式中，可以添加約1 約100g、約 1 約50g或者約3 約IOg的&02珠。然后可以將聚合物-顆?；旌衔餄沧⒁孕纬呻x子 聚合物層。通過固化至少一種聚合物-顆?；旌衔?，可以形成至少兩個離子聚合物層。在一 些實施方式中，所述兩個離子聚合物層的每層可以具有分布在部分離子聚合物層中的導(dǎo)電 顆粒，而其它部分基本上不含導(dǎo)電顆粒。例如，在固化過程期間，分散后的導(dǎo)電顆粒由于重力牽引可以開始向基板或容器/模具的底部沉降。其結(jié)果是，離子聚合物層的上部(即遠 離基板或容器/模具的底部)可能不具有有效量的導(dǎo)電顆粒，用于為所述裝置導(dǎo)電。所述 層的該部分可以成為所述離子聚合物復(fù)合材料的介電層32。包含導(dǎo)電顆粒的部分可以成為 最終復(fù)合材料中的所述延伸的電極層31。在一些實施方式中，所述至少兩個離子聚合物層在所述層的整個深度，可以包含 有效量的導(dǎo)電顆粒。然后這些離子聚合物層將變成如圖8A中所示的成品復(fù)合材料中的所 述兩個延伸的電極層31a和31b。在其它的實施方式中，具有不同導(dǎo)電顆粒濃度的兩種或更多種的聚合物-顆粒混 合物可以被固化以形成兩種或更多種具有不同導(dǎo)電顆粒濃度的離子聚合物層。具有不同導(dǎo) 電顆粒濃度的這些離子聚合物層可以結(jié)合，以形成沿所述延伸的電極層31的厚度/深度具 有顆粒分布的一個延伸的電極層31。通過將兩個延伸的電極層31與它們之間的介電層32 相結(jié)合，可以制備所述復(fù)合材料。在一些實施方式中，根據(jù)上述的步驟形成延伸的電極層的長帶?？梢詫⒃撻L帶切 割為相等的兩半，以形成所述第一和第二延伸的電極層31a和31b。在一些實施方式中，每個聚合物-顆粒層19可以被澆注為單獨的膜。在其它的實 施方式中，另外的聚合物_顆粒層19可以直接形成于已經(jīng)固化的聚合物-顆粒層的頂部 上。在一些實施方式中，所述至少一個延伸的電極層之一可以是圖7中所述的第一延 伸的電極層31a。所述第一延伸的電極層31a可以包括由相同或不同顆粒濃度的聚合物-顆 ?；旌衔镏瞥傻亩喾N聚合物_顆粒層。該混合物在升高的溫度下和/或在真空下被固化在 基板上或在容器/模具35中，以形成第一聚合物_顆粒層19a。容器/模具可以由玻璃、硅 樹脂、特氟龍(Teflon)或其它材料制成?；蹇梢允遣Ａ?、硅樹脂、特氟龍或聚對苯二甲酸 乙二醇酯(PET)等。如果薄的離子聚合物裝置元件是所希望的，則可以使用旋涂或其它印 刷技術(shù)以形成薄的聚合物-顆粒層。任選地，在所述第一聚合物-顆粒層19a上或上方可以形成具有不同或相同顆粒 濃度的一個或多個聚合物_顆粒層。第一延伸的電極層31a可以是單一聚合物_顆粒層19 或幾個聚合物-顆粒層的組合。在一些實施方式中，第一聚合物-顆粒層19a具有最高濃 度的預(yù)形成的導(dǎo)電顆粒，并且第二聚合物_顆粒層1%具有第二高濃度。在其它實施方式 中，具有較低濃度的另外聚合物-顆粒層也可以形成在所述第二聚合物-顆粒層1%上或 上方。第一套組合的聚合物_顆粒層(例如19a和19b)可以形成第一延伸的電極層31a。 第一延伸的電極層31a具有從所述第一聚合物_顆粒層的外部表面19a向所述第一延伸的 電極層31a與下一層(例如介電層)之間的界面降低的濃度梯度。在實施方式中，其中固化后的聚合物-顆粒層或膜是薄的，而且預(yù)形成的導(dǎo)電顆 粒在初始混合物中的濃度非常高，沿固化后的聚合物-顆粒層19的厚度，所述預(yù)形成的導(dǎo) 電顆?？梢跃哂袔缀醪蛔兊臐舛确植肌Ｔ谄渌鼘嵤┓绞街?，由于重力原因，在固化后的聚合 物_顆粒層中可能形成局部濃度梯度。所述聚合物_顆粒層也可以用于形成延伸的電極層 31。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠調(diào)整用于制備每個聚合物_顆粒層19的每種聚合物-顆?；?合物的濃度，以獲得具有特別希望的濃度梯度的根據(jù)本發(fā)明實施方式的延伸的電極層31。在一些實施方式中，需要單獨的離子聚合物介電層32以形成復(fù)合材料裝置。在一些實施方式中，可以使用沒有導(dǎo)電顆粒的預(yù)制備的離子聚合物。它們是可商購的或者可以 是預(yù)固化的。在其它的實施方式中，提供離子聚合物介電層包括提供第二離子聚合物溶液， 例如SPES聚合物溶液；以及形成離子聚合物介電層32。通過固化所述第二離子聚合物溶 液，介電層32可以作為自由存在的層來形成，或者可以形成在所述第一延伸的電極層31a 上或上方。所述第二離子聚合物溶液可以由適于形成離子交換膜的任何離子聚合物制成， 其實例如上所述。第二離子聚合物溶液可以與用于制備聚合物-顆?；旌衔锏牡谝浑x子聚合物溶 液相同或不同。例如，為了獲得各向異性的溶脹結(jié)構(gòu)，所述離子聚合物介電層32可以由具 有比用于制備所述延伸的電極層的聚合物更高的離子交換容量(IEC)的SPES聚合物制成。 介電層的厚度可以為干燥狀態(tài)下的全部結(jié)構(gòu)厚度的約2% 約98%，優(yōu)選為約20% 約 80 %，或者更優(yōu)選為約40 % 約70 %。在其中離子聚合物介電層32形成在第一延伸的電極層31a上的一些實施方式中， 通過將所述至少一種聚合物-顆?；旌衔锕袒谒鲭x子聚合物介電層32上或上方，可以 形成第二延伸的電極層31b。第二延伸的電極層31b優(yōu)選具有與第一延伸的電極層31a相 同類型的濃度分布，但是濃度梯度的方向是相反的。例如，如果形成具有不同濃度的多個聚 合物-顆粒層例如19a和19b以制備第一延伸的電極層31a，則在所述離子聚合物介電層 32上面以相反的順序再次形成相同的多個聚合物-顆粒層。最低顆粒濃度的聚合物-顆 粒層19b形成于介電層32上，較高濃度的聚合物-顆粒層19a形成于先前的聚合物-顆粒 層19b上。在優(yōu)選的實施方式中，第一和第二延伸的電極層31a和31b—起將會顯示出對 稱的濃度分布。每個延伸的電極層31的厚度可以為干燥狀態(tài)下的全部聚合物復(fù)合材料厚 度的約 約49%，優(yōu)選為約10% 約40%，更優(yōu)選為約15% 約30%。在一些實施方式中，如圖8A所示，通過將所述至少一個延伸的電極層中的兩層和 所述離子聚合物介電層相結(jié)合形成述的所述聚合物復(fù)合材料。使用預(yù)形成的顆粒分散體的 方法，可以單獨制備第一和第二延伸的電極層31a和31b。隨后，將兩個單獨形成的延伸的 電極層與夾在所述兩個延伸的電極層之間的離子聚合物介電層32結(jié)合在一起，以形成單 一離子聚合物復(fù)合材料11。所述層通過將它們粘結(jié)在一起進行結(jié)合。在一些實施方式中， 如圖8B所示，構(gòu)成每個延伸的電極層的多個聚合物-顆粒層也可以單獨形成，且隨后被粘 結(jié)以形成離子聚合物復(fù)合材料11?；蛘?，在將兩個相結(jié)合的層粘結(jié)之前，介電離子聚合物的 層可以直接形成在所述延伸的電極層的每層上，以形成如圖8C所示的離子聚合物復(fù)合材 料。原位還原一些實施方式提供一種用于在聚合物復(fù)合材料中形成延伸的電極層的原位還原 法。在一些實施方式中，可以通過在溶劑中混合離子聚合物制備所述離子聚合物溶液。適 合的離子聚合物包括能夠傳導(dǎo)離子的其它聚合物，其實例如上面列出的。參考圖9，用于制 備離子聚合物裝置100的方法從步驟105開始，即提供包含至少一種金屬鹽和離子聚合物 溶液的混合物。該混合物是聚合物-鹽混合物或溶液。將金屬鹽加入到離子聚合物溶液中 并劇烈地攪拌。在一些實施方式中，金屬鹽可以是HAuC14、[Au(Phen)Cl2]Cl (氯代.二氯 (1，10_菲羅啉)合金)、[ 1(朋3)6](12、!^憂16或其它六11或？{鹽。在一個實施方式中，可 以將一種或多種添加劑添加到該混合物中以改善固化后的聚合物的性能，例如添加二甲基甲酰胺(DMF)以防止聚合物開裂?？梢詫⒃摼酆衔?鹽混合物轉(zhuǎn)移到被設(shè)置為所需尺寸和形狀的容器中進行固化 過程。在一些實施方式中，可以使用旋涂、印刷例如噴墨印刷或其它薄膜澆注/沉積技術(shù)用 于制備薄的聚合物復(fù)合材料膜。在一些實施方式中，可以在室溫下在真空下，例如約0 約 30英寸汞柱(相對值)，優(yōu)選約0 約15英寸汞柱，更優(yōu)選約5 約10英寸汞柱下進行固 化過程。然后將固化后的聚合物復(fù)合材料在升高的溫度下在真空中進行退火。例如，在約 50 約200°C，優(yōu)選約70 約150°C，更優(yōu)選約90 約120°C溫度下，以及在約0 約30 英寸汞柱(相對值)，優(yōu)選約10 約30英寸汞柱，更優(yōu)選約20 約30英寸汞柱。在其它 實施方式中，可以在升高的溫度下在真空下進行固化過程而無需退火。例如，溫度范圍可以 為約23 約150°C，優(yōu)選約50 約100°C，更優(yōu)選約80 約90°C，真空范圍可以為約0 約30英寸汞柱(相對值)，優(yōu)選約0 15英寸汞柱，更優(yōu)選約5 約10英寸汞柱。最優(yōu)選 條件是在約80°C下和在約5英寸汞柱相對值的真空下。在步驟110通過形成第一延伸的電極層31a來繼續(xù)該過程。當(dāng)聚合物-鹽的混合 物被部分固化而具有一定粘度時，添加第一部分還原劑例如檸檬酸鈉、硼氫化鈉或HCHO以 還原金屬鹽和在固化后的聚合物中形成納米和/或微米級的金屬顆粒(即導(dǎo)電顆粒12)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員通過觀察固化后的聚合物表面或通過使用流變計測量粘度能夠確定聚合 物-鹽混合物部分固化的時間。典型地，在固化聚合物層的第二表面18b上引入或添加還原 劑。使第二表面18b定向為使其面向上的面，并且離重力牽引作用遠。在一些實施方式中， 可以使用微噴霧器來引入還原劑以確保在整個第二表面18b上分布小且均勻的液滴。導(dǎo)電 顆粒12沉淀并且由于重力向相反的第一表面18a移動。在固化聚合物的第一表面18a上 和在第一表面18a附近形成第一延伸的電極層31a。通過調(diào)整還原劑的引入速率，能夠在第 一表面18a上獲得較高濃度的顆粒濃度梯度。在允許聚合物進一步固化之后，在步驟115通過形成第二延伸的電極層31b繼續(xù) 該過程。當(dāng)聚合物接近固化時在第二表面18b上添加第二部分還原劑以形成另外的金屬顆 粒。由于在固化過程的此刻該聚合物變?yōu)楦吵恚贿€原的導(dǎo)電顆粒12更慢地移向第一表 面18a，并且在第二表面18b上和在第二表面18b附近沉積以形成第二延伸的電極層31b。 固化后的聚合物組合物的中間部分基本上不含導(dǎo)電顆粒12，因此作為離子聚合物介電層 32。在一些實施方式中，也可以在固化過程的各階段分幾次引入不同量還原劑以控制 濃度分布。在一些實施方式中，在固化聚合物溶液中還原所述金屬鹽以形成基本上為球形 并且尺寸范圍為約0. Inm 約Ιμπκ優(yōu)選約Inm 約lOOnm、更優(yōu)選約1 約IOnm的顆 粒。在其它的實施方式中，可以在聚合物復(fù)合材料中還原金屬鹽以形成直徑為約0. Inm 約1 μ m、優(yōu)選約Inm 約lOOnm、更優(yōu)選約1 約10nm，長度范圍為約Inm 約10 μ m、優(yōu)選 約50nm 約Iym的簇鏈。在一些實施方式中，可以添加表面活性劑，例如四辛基溴化銨 (TOAB)、含硫類(thiogroup)和樹枝狀高分子等以防止導(dǎo)電納米顆粒的團聚。一些實施方式提供另一種形成聚合物復(fù)合材料的原位還原方法，包括形成至少 兩個聚合物層或塊；以及將它們結(jié)合以形成聚合物復(fù)合材料。如以上在步驟105中所述的， 該方法開始于混合聚合物_鹽溶液，但可以調(diào)整所使用的聚合物_鹽溶液的量以形成厚度 等于或小于最終聚合物復(fù)合材料11所需厚度一半的聚合物層。如以上在步驟110中所述的，在形成第一延伸的電極層31a步驟繼續(xù)該方法。代替繼續(xù)形成第二延伸的電極層，允許 具有一個延伸的電極層的聚合物層50完全固化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是引入還原劑 的速率能夠決定所述延伸的電極層31的厚度和濃度分布。兩個這樣固化后的聚合物層50 可以在兩個單獨的容器中一步形成，或者通過將一個大的固化聚合物層50切割為兩部分 來形成。下一步驟包括通過將兩個固化的聚合物層50結(jié)合形成多層離子聚合物復(fù)合材料 11。上下翻轉(zhuǎn)被固化的聚合物層50中的一層，使得具有較高導(dǎo)電顆粒濃度的表面朝上且 離重力的牽引遠。在一些實施方式中，被固化的聚合物層50可以具有更窄的濃度梯度，或 者每一層被固化的聚合物層50的一部分可以基本上不含導(dǎo)電顆粒12，如圖IOA中所示的。 這種兩個被固化的聚合物層50可以通過將基本上不含導(dǎo)電顆粒12的表面連接而粘結(jié)在一 起。基本上不含導(dǎo)電顆粒12的每層聚合物顆粒層的部分一起形成離子聚合物介電層32。在其它實施方式中，其中較厚的離子聚合物介電層是所希望的，可以使用單獨的 基本上不含導(dǎo)電顆粒12的離子聚合物介電層32。介電層32可以是預(yù)先制備的離子聚合 物，或者是市售獲得或預(yù)先固化的。如圖IOB中所示的，這種離子聚合物介電層32被夾在 兩個聚合物層50之間，并且將所有的層粘結(jié)在一起以形成如下所述的聚合物復(fù)合材料11?？梢杂缮鲜龇椒ǐ@得的所有單獨形成的層(延伸的電極層和/或介電層)或者 可以在室溫下在真空中固化該粘結(jié)的聚合物復(fù)合材料，然后在升高的溫度下在真空中退 火。室溫固化的真空范圍為約0 約30英寸汞柱(相對值)，優(yōu)選為約0 約15英寸汞 柱(相對值)，更優(yōu)選為約5 約10英寸汞柱(相對值)。退火溫度在約50 約200°C范 圍內(nèi)，優(yōu)選約70 約150°C，更優(yōu)選約90 120°C。退火的真空范圍為約0 約30英寸汞 柱(相對值)，優(yōu)選為約10 約30英寸汞柱，更優(yōu)選為約20 30英寸汞柱。在其它的實 施方式中，在升高的溫度下在真空中可以發(fā)生固化過程而無需退火。例如，溫度范圍可以為 約23°C 約150°C，優(yōu)選為約50°C 約100°C，更優(yōu)選為約80°C 約90°C，并且真空范圍可 以為約0 約30英寸汞柱(相對值)，優(yōu)選為約0 約15英寸汞柱，更優(yōu)選約5 約10英 寸萊柱。在由上述任何方法制備的層干燥之后，所述層可以在壓力和升高的溫度下在層壓 工藝中粘結(jié)在一起以形成多層結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，對于層壓工藝可以使用真空爐或 熱壓機。所述層的粘結(jié)包括施加壓力給多層的堆疊體，例如將所述堆疊體夾在兩個載玻片 之間，或者簡單地將重物放置在所述堆疊體上面。在一些實施方式中，可以使用少量的離子 聚合物溶液作為粘結(jié)層之間的粘合劑。在一些實施方式中，溶劑例如2-甲氧基乙醇或醇可 以用作粘合劑。然后將粘結(jié)的堆疊體在約50 約200°C，約80 約150°C，更優(yōu)選約90 約120°C的升高的溫度下在約0 約30英寸汞柱(相對值)，優(yōu)選約5 約20英寸汞柱， 更優(yōu)選約10 15英寸汞柱的真空下加熱，以將相鄰聚合物相再溶解，并且將所有的膜無縫 地融合在一起以形成具有夾芯結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料11。在一些實施方式中，可以使用熱壓機進行層壓。使用熱壓機的條件依賴于堆疊體 的厚度、復(fù)合材料表面積和材料成分的類型。在一些實施方式中，用于層壓的溫度范圍為約 室溫到約200°C，優(yōu)選約60°C 160°C，或者更優(yōu)選約100°C 120°C。在一些實施方式中， 施加在總厚度小于500 μ m的層疊體上的壓力范圍為約1 約lOOOkgf/cm2，優(yōu)選為約20 約200kgf/cm2，或者更優(yōu)選為約60 約120kgf/cm2。在一些實施方式中，所述粘結(jié)的持續(xù)時間可以為約1秒 約24小時，約30秒 約30分鐘，或者約2 約10分鐘。在一些實施方式中，可以在真空爐中進行層壓。將預(yù)形成的層放置并且固定在兩 玻璃片之間，將重物放置在爐子中的堆疊體的頂部上。溫度和真空條件類似于或低于在上 述固化過程中所使用的那些條件。在一些實施方式中，可以在層壓步驟期間形成表面電極13。在層壓期間，可以將導(dǎo) 電金屬箔、網(wǎng)狀物或多孔薄膜可以施加并且粘結(jié)在所述堆疊體的兩個外部表面上，其將成 為所述復(fù)合材料的第一和第二表面18a和18b。在一些實施方式中，導(dǎo)電金屬箔、網(wǎng)狀物和 多孔薄膜可以包括金、鉬、銀、酮、鎳等。在一些實施方式中，所述箔或網(wǎng)狀物的厚度可以為 約IOnm 約100 μ m,優(yōu)選約IOOnnm 約10 μ m,或者更優(yōu)選為約1 μ m。使用該方法形成的 表面電極可以允許水和陽離子通過，并且可以在水合時更抗溶脹。在一些實施方式中，在已經(jīng)粘結(jié)所述堆疊體之后，可以使用不同的表面鍍覆技術(shù) 以形成表面電極。一旦使用上述方法中的任一種制備具有所希望的顆粒濃度分布的離子聚 合物復(fù)合材料，可以任選地將至少一個導(dǎo)電層沉積在每個所述第一和第二表面18a和18b 上以形成電極。該導(dǎo)電層確保沿所述離子聚合物裝置的長度的良好表面導(dǎo)電率和均勻電 場。在其中將預(yù)形成的層結(jié)合以形成離子聚合物復(fù)合材料的實施方式中，可以將至少一個 導(dǎo)電層沉積在將會成為所述聚合物復(fù)合材料的第一和第二表面18a和18b的表面上。導(dǎo)電 層的合適材料包括金屬、導(dǎo)電聚合物、石墨或其它具有良好電導(dǎo)率和耐腐蝕性的材料。在一 些實施方式中，電極13的優(yōu)選材料是金屬，例如Au、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Ag、Al、Ni和Cu ；非 金屬，例如導(dǎo)電聚合物、碳納米管和石墨或其它導(dǎo)電材料?？梢酝ㄟ^任意適合的沉積和/或 鍍覆方法實現(xiàn)導(dǎo)電層的沉積，包括但不限于濺射鍍膜、無電鍍、真空沉積、電鍍、涂覆(例如 噴涂、涂抹、刷涂、浸漬等)導(dǎo)電涂料，并且在上述層壓期間進行粘結(jié)。當(dāng)所述復(fù)合材料是水 合的或者脫水的，可以進行表面鍍覆。在一些實施方式中，在已經(jīng)沉積導(dǎo)電層之后可以進行另外的熱壓步驟。該熱壓可 以增強導(dǎo)電層與聚合物表面之間的粘結(jié)。在一些實施方式中，將熱壓機施加在濺射鍍膜的 導(dǎo)電層上。在濺射鍍膜之后，將復(fù)合材料樣品放入兩個特氟龍(Teflon)膜之間，然后將 其夾在兩個厚紙層之間，并且將兩個鋁板放置在厚紙層上方。將該多層結(jié)構(gòu)的樣品在約 50°C 約300°C，約50°C 約200°C，約80°C 約150°C，或者約100°C 約120°C下進行熱 壓。在一些實施方式中，熱壓的溫度可以剛好低于所述復(fù)合材料聚合物的熔點溫度。在一些 實施方式中，熱壓機所施加的力可以為約100牛頓(N) 約20000N，約100N 約10000N， 約1000N 約8000N或者約5000N。在一些實施方式中，所施加的力可以為約0. 01噸 約 2噸，約0. 01噸 約1噸，約0. 1噸 約0. 8噸或者約0. 5噸。本文所使用的術(shù)語“噸”是 噸力或公制噸，1噸為約9807N或1000kg。在一些實施方式中，熱壓機所施加的力可以為約 2kgf/cm2 450kgf/cm2，約 2kgf/cm2 250kgf/cm2，約 20kgf/cm2 200kgf/cm2，約 60kgf/ cm2 120kgf/cm2 或者約 112kgf/cm2。在一些實施方式中，可以使用在干燥的真空環(huán)境中的濺射鍍膜來沉積導(dǎo)電物質(zhì)的 薄層。還可以使用掩膜施加將具有特定圖案的覆層，以減少所述聚合物在被水合時的溶脹 效應(yīng)。在一些實施方式中，所述層厚度可以為約10 約lOOOnm，或者約50 約200nm。本 領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將會了解根據(jù)所希望的層厚度、被沉積的材料以及所述復(fù)合材料的表面 性能，如何改變?yōu)R射鍍膜參數(shù)。在一些實施方式中，可以使用濕法例如電鍍和無電鍍以形成不會被所述聚合物的溶脹影響的表面電極。在一些實施方式中，可以進行表面處理以增加表面積用于與導(dǎo)電層更好的粘結(jié)。 這些表面處理可以是表面粗糙化、等離子體表面處理或其它類似處理。可選擇地，也可以在 金屬沉積步驟之前進行清洗過程，例如超聲波清洗或酸洗。由于在電刺激時離子聚合物復(fù)合材料的簇網(wǎng)內(nèi)的陽離子移動產(chǎn)生致動，所以可以 通過改變相關(guān)陽離子來改變致動性能。在一些實施方式中，離子聚合物復(fù)合材料的陽離子 能夠通過離子交換過程用一種或多種陽離子代替，例如堿金屬陽離子、堿土金屬陽離子、貧 金屬陽離子以及烷基銨。堿金屬陽離子是Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+等，堿土金屬陽離子可以 是Ca2+和Mg2+等，貧金屬陽離子可以是Al3+、Tl3+等；烷基銨陽離子包括但不限于四丁基銨 (TBA+)和四甲基銨(TMA+)。能夠應(yīng)用這些陽離子的不同組合以獲得所需要的致動性能和性 質(zhì)。在一些實施方式中，小的堿金屬陽離子樣品顯示出較大的變形率，但是總的變形(致動 位移)小。在其它實施方式中，較大的烷基銨陽離子顯示出較大的總變形，但變形率小。在一些實施方式中，也進行溶劑吸收以允許在離子聚合物復(fù)合材料中形成相互連 接的簇網(wǎng)。由于溶劑幫助陽離子移動，具有不同溶劑類型或量的離子聚合物致動器可以顯 示出不同的致動性能。所述溶劑包括但不限于水；有機溶劑例如乙二醇、二元醇、甘油或冠 醚；或者離子液體例如1-乙基-3-甲基咪唑鐺三氟甲烷磺酸鹽。在一些實施方式中，也可 以在沉積導(dǎo)電層之前進行離子交換和溶劑吸收。在一些實施方式中，當(dāng)延伸的電極層包含具有至少約1. 4meg/q的IEC的SPES聚 合物或其衍生物時，可以制備改進的離子聚合物復(fù)合材料裝置。在一些實施方式中，所述 延伸的電極層的IEC可以為至少約1. 8meg/q，或者至少約2meg/q。在一些實施方式中，所 述延伸的電極層的IEC可以為約1. 5 約2. 5meg/q，約1. 8 約2. 5meg/q，或者約2 約 2. 4meg/q0在一些實施方式中，所述離子聚合物復(fù)合材料的介電層或中間層可以包括具有至 少約 1. 4meg/q,至少約 1. 8meg/q,至少約 2meg/q，約 1. 5 約 2. 5meg/q,約 1. 8 約 2. 5meg/ q或者約2 約2. 4meg/q的IEC的SPES聚合物或其衍生物。在一些實施方式中，所述離子 聚合物復(fù)合材料的所有層(包括所述延伸的電極層和介電層)可以包含一種或多種SPES 聚合物或其衍生物，每種具有至少約1. 4meg/q，至少約1. 8meg/q，至少約2meg/q，約1. 5 約2. 5meg/q，約1. 8 約2. 5meg/q，或者約2 約2. 4meg/q的IEC0在一些實施方式中，所 述介電層的IEC比所述延伸的電極層的IEC更高。在一些實施方式中，當(dāng)表面電極是濺射鍍膜的金膜時，可以進一步改進離子聚合 物復(fù)合材料裝置的位移％、力輸出和功密度(work density) 0當(dāng)在表面電極膜已經(jīng)沉積 在聚合物表面上之后將熱壓(即熱壓處理)施加到表面電極膜上時，可以改善表面電極膜 (例如金屬膜)和聚合物表面的粘附力。表面印記法另一實施方式提供一種通過形成用于接觸電極的具有印記表面形貌的離子聚 合物復(fù)合材料，來增加離子聚合物相與導(dǎo)電相或電極之間的界面面積的方法。適合的離 子聚合物包括能夠進行離子傳導(dǎo)的任何聚合物，例如SPES聚合物、全氟-磺酸聚合物
(Nafion )、全氟_羧酸聚合物(Flemion )、聚苯乙烯_磺酸聚合物和全氟_叔銨聚合物。 在優(yōu)選的實施方式中，使用SPES聚合物溶液形成離子聚合物復(fù)合材料。通過上述方法制得這些聚合物溶液。離子聚合物復(fù)合材料的印記表面包括納米或微米級的表面形貌，例如孔 隙、凹槽和溝道。參考圖11，可以使用方法300制備印記的聚合物復(fù)合材料，其通過提供至少一個 印記板(imprinting plate) 20開始于步驟305。使用至少一個印記板20作為用于在將與 電極13接觸的離子聚合物復(fù)合材料11的兩相反表面上產(chǎn)生納米和/或微米級表面形貌14 的模板。印記板20可以為任何具有納米或微米級的刻痕、凸起和孔洞等的板。印記板的優(yōu) 選材料是半導(dǎo)體和導(dǎo)體材料，例如多孔硅(優(yōu)選大量摻雜的)和刻蝕金屬。適于印記板的 金屬包括但不限于Au、Pt、Pd、Ir、Ru、Ag、Al、Ni和Cu。在一些實施方式中，可以通過電化學(xué)刻蝕導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制得印記板20。在一 個實施方式中，通過在約10%氫氟酸(HF)乙醇/水溶液中電化學(xué)刻蝕硼摻雜的P++型<100> 硅晶片，可以制得多孔硅印記板。通過以體積比1 4混合48 % HF水溶液和200標(biāo)準(zhǔn)酒 精度(proof)的乙醇，制得該HF乙醇/水溶液。其它刻蝕溶液可以包括氟化物鹽和能夠產(chǎn) 生H+和F_的酸的任意組合。在一個實施方式中，刻蝕溶液可以是HNO3和NH4F的組合。在 另一實施方式中，可以通過HCl和/或HNO3刻蝕鋁箔。通過改變刻蝕條件可以控制孔隙率和孔徑?？勺兊目涛g條件是刻蝕溶液的濃度、 刻蝕時間、施加的電作用、刻蝕順序以及它們的任何組合。在一些實施方式中，HF的乙醇/ 水溶液濃度可以為約1體積％ -約99體積％，優(yōu)選約5體積％ -約50體積％，更優(yōu)選約10 體積％ -約38體積％?？涛g時間取決于刻蝕溶液的濃度，可以為約1秒_約1小時，優(yōu)選 為約10秒-約10分鐘，更優(yōu)選為約30秒-約5分鐘。應(yīng)用的電流密度還取決于HF濃度， 并且可以為約1-約10，000m A/cm2，優(yōu)選為約10-約2，000mA/cm2?？梢酝ㄟ^掃描電鏡(SEM)、反射分光計和/或原子力顯微鏡(AFM)表征多孔板的表 面。多孔硅板的一個實施方式顯示出大的孔隙率和小于約5nm的平均孔徑。在優(yōu)選的實施 方式中，印記板20具有相對小的孔(納米級)和大的孔深(微米級度)，因此具有約10-約 100或更大的高縱橫比。這些印記板也具有大的孔隙率(約70%到約95%或更高)，因此 表面積與體積之比大。通過表征和檢測印記板表面，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠調(diào)整刻蝕參數(shù)和 條件以生產(chǎn)所希望的模板。在一些實施方式中，印記板的多孔材料可以是憎水的。由于通過在印記板上澆注 離子聚合物溶液并允許聚合物溶液擴散到印記板多孔基質(zhì)中來制得印記表面形貌，因此可 能需要適當(dāng)?shù)谋砻娓男砸愿淖儽砻婊瘜W(xué)性質(zhì)。例如，硅印記板的氧化(將Si-H轉(zhuǎn)變?yōu)镾i-O) 可以使表面更為親水，使得所述離子聚合物溶液可以更容易滲透入印記板的孔洞和刻痕 中。在一個實施方式中，多孔硅印記板在約600°C爐中放置約2小時以氧化硅表面。在步驟310通過在印記板上形成至少一層印記的聚合物層繼續(xù)該方法300。離子 聚合物溶液被施加或澆注到印記板20上，并且允許固化成為印記的聚合物層41。一個實施 方式提供通過固化兩印記板20之間的聚合物復(fù)合材料制備具有表面形貌的離子聚合物復(fù) 合材料的方法。參考附圖12A，在兩印記板20的表面上施加離子聚合物40。固體(預(yù)先固 化的)離子聚合物40可以放置在施加有聚合物溶液的兩印記板之間，在固化過程中對多層 疊層結(jié)構(gòu)施加壓力。在一些實施方式中，聚合物溶液被引入具有兩平行印記板20的所希望 的容器中。也可以通過加熱和加壓，迫使聚合物溶液進入印記板20的孔洞和刻痕中。一旦 聚合物溶液固化，能夠除去印記板20以獲得獨立支撐的聚合物復(fù)合材料11，該聚合物復(fù)合材料在兩相對的表面上具有表面形貌14，例如孔隙、溝道和凹槽，如圖12B所示。在其它的實施方式中，也可以通過一次印記一個表面來制備具有納米或微米級形 貌/孔隙的聚合物復(fù)合材料。將聚合物溶液施加到至少一個印記板20上，并且允許固化形 成印記的聚合物41。在一些如下實施方式，即薄的聚合物層被澆注在單片印記板上，在其仍 然粘附在印記板20上時，可以將另外的聚合物溶液施加或添加到所述薄的聚合物層上作 為增強層。一旦印記的聚合物層固化，從印記板20上釋放(如以下步驟315所述)，可以將 兩層印記的聚合物層以表面形貌向外的方式粘結(jié)在一起，形成聚合物復(fù)合材料11?？梢允?用另外的聚合物溶液或溶劑作為兩印記層之間的粘合劑。或者，首先在通過連接不具有表 面形貌的表面來粘結(jié)之前，分別固化的印記層也可以具有至少一層沉積/鍍覆在表面形貌 14上的導(dǎo)電層13 (圖13)。導(dǎo)電層13的沉積/鍍覆與上述描述的相同。在一些實施方式中，可以使用步驟105所制備的聚合物-鹽溶液來制備印記的聚 合物層41，如步驟110所述的，添加還原劑19以在具有表面形貌14的表面上或附近形成導(dǎo) 電顆粒12。在其它的實施方式中，也能夠使用步驟205中所制備的聚合物-顆?；旌衔飦?制備印記的聚合物層41。使用步驟210中所述的相同技術(shù)形成具有印記表面22的延伸的 電極層。在通過原位還原或預(yù)先形成的顆粒分散方法形成導(dǎo)電顆粒的實施方式中，當(dāng)將包 含導(dǎo)電顆粒的兩印記層粘結(jié)在一起以形成離子聚合物復(fù)合材料11時，可以使用介電離子 聚合物層40作為中間層。在步驟315通過除去印記板以釋放印記的聚合物層來繼續(xù)方法300。除去印記板 可以包括使用酸或堿進行的化學(xué)刻蝕。在一些使用多孔硅模板的實施方式中，能夠通過使 用強堿例如NaOH或KOH刻蝕掉其表面結(jié)構(gòu)來去除多孔硅印記板，從而從新形成的聚合物復(fù) 合材料11的多孔表面釋放印記板。典型地，附著在印記板20上的聚合物復(fù)合材料11浸漬 在刻蝕溶液中，以使聚合物復(fù)合材料剝離所附著的印記板。在一些實施方式中，附著在印記 板上的聚合物復(fù)合材料11或聚合物層也可以浸泡在堿溶液例如NaOH中幾小時，以除去印 記板。允許獨立支撐的離子聚合物復(fù)合材料11在空氣中干燥。在說明性的實施方式中，一旦從印記板20上釋放聚合物復(fù)合材料11，可以在聚合 物復(fù)合材料11的兩個多孔表面上沉積一層或多層導(dǎo)電層13，以形成電極。在一些實施方式 中，所述至少一層導(dǎo)電層基本上覆蓋所述多種表面形貌。導(dǎo)電層的適合材料包括金屬、導(dǎo)電 聚合物、石墨或其它具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和抗腐蝕的材料。電極13的優(yōu)選材料是金屬，例如 Au、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Ag、Al、Ni和Cu ；非金屬，例如導(dǎo)電聚合物、碳納米管和石墨或其它導(dǎo) 電材料?？梢酝ㄟ^任何適合的上述沉積和/或鍍覆方法來獲得導(dǎo)電層的沉積。在其它的實施方式中，導(dǎo)電印記板也可以作為電極而無需除去印記板或沉積另外 的導(dǎo)電層。適于作為電極的印記板至少沿著聚合物復(fù)合材料的厚度方向是導(dǎo)電的。在一些 實施方式中，印記板20也是機械撓性的(低的彎曲剛度)。在印記板非常薄時，這是通常出 現(xiàn)的情況。有時，需要最終的表面鍍覆/涂覆步驟以改善附著的印記板的表面導(dǎo)電率。這 種印記板非限制性的實例包括由大量摻雜的硅晶片刻蝕所得到的獨立支撐的薄多孔硅薄 膜，多孔金屬箔例如鋁、金或鉬，由導(dǎo)電的導(dǎo)線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及其它的非金屬材料例 如導(dǎo)電聚合物。可以由電化學(xué)刻蝕大量摻雜硼、P++型<100>硅晶片所制得獨立支撐的的薄 多孔硅薄膜。導(dǎo)電的導(dǎo)線包括由金屬、硅、碳和碳納米管等制得的導(dǎo)線。由于在電刺激時陽離子在離子聚合物復(fù)合材料簇網(wǎng)內(nèi)的移動引起致動，可以通過改變相關(guān)的陽離子來改變致動性能。在一些實施方式中，離子聚合物復(fù)合材料的陽離子可 以通過離子交換過程用一種或多種陽離子代替，例如堿金屬陽離子、堿土金屬陽離子、貧 金屬陽離子以及烷基銨。堿金屬陽離子是Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+等，堿土金屬陽離子可以 是Ca2+和Mg2+等，貧金屬陽離子可以是Al3+、Tl3+等、烷基銨陽離子包括但不限于四丁基銨 (TBA+)和四甲基銨(TMB+)。可以應(yīng)用這些陽離子的不同組合以獲得所需要的致動性能和性 質(zhì)。在一些實施方式中，也進行溶劑吸收以允許在離子聚合物復(fù)合材料中形成相互連接的 簇網(wǎng)。由于溶劑有助于陽離子移動，具有不同溶劑類型或量的離子聚合物致動器能夠顯示 出不同的致動性能。所述溶劑包括但不限于水；有機溶劑，例如乙二醇、二元醇、甘油或冠醚 或離子液體，例如1-乙基-3-甲基咪唑鐺三氟甲烷磺酸鹽。在一些實施方式中，也可以在 沉積導(dǎo)電層之前進行離子交換和溶劑吸收。通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)離子聚合物裝置的實施方式的懸臂帶，當(dāng)在其厚度上施加 小的交流電(AC)例如約1-約2伏時能夠產(chǎn)生大的彎曲振動。在將離子聚合物裝置配置為 致動器的實施方式中，彎曲振動的振幅可以為計量長度(gage length)的約5_約100%。 當(dāng)應(yīng)用直流電(DC)時，樣品顯示出向陽極方向的快速彎曲運動，接著以相同或相反的方向 緩慢運動。在其它的實施方式中，當(dāng)離子聚合物膜突然彎曲時，橫跨其表面產(chǎn)生約幾mV的 小電勢，并且可以作為傳感器。離子聚合物裝置的潛在應(yīng)用包括但不限于形成內(nèi)窺鏡手術(shù)的撓性操縱器、導(dǎo)管 尖端和導(dǎo)向線、可植入的微泵、具有受控藥物釋放速率的微量藥物輸送裝置的蓋、人造肌肉 和形變傳感器(用于彎曲、剪切或旋轉(zhuǎn))。一些實施方式中，提供包括離子聚合物裝置或元 件的醫(yī)學(xué)裝置，其中離子聚合物裝置能夠驅(qū)動運動和操縱或引導(dǎo)醫(yī)學(xué)裝置的前進。例如，內(nèi) 窺鏡手術(shù)尖端可以包括一個或多個離子聚合物致動器元件/裝置，用于控制刀片、解剖刀、 針、針固定器/驅(qū)動器、掛鉤、刮刀、傳送裝置、內(nèi)窺鏡、光纖光纜、光波導(dǎo)、鑷子、剪刀、解剖 器、修剪刀(shears)、單極和雙極電灸、施夾鉗和抓緊器。在一些實施方式中，也能夠使用多 個離子聚合物致動器元件，控制多個尖端的運動以獲得復(fù)雜運動和操作。在一些實施方式 中，附著或集成在撓性導(dǎo)管或套管的壁的聚合物致動器，可以控制導(dǎo)管在特定方向的彎曲 運動到特定程度。由單獨的離子聚合物裝置覆蓋多段管壁以容易進行操作。實施例1澆灃的SPES-SNP兩層膜為了制備所述延伸的電極層，由量子球 (QuantumSphere )銀納米顆粒、SPES-IIcdEC = 1. 44)和作為溶劑的DMF制備聚合
物-顆粒溶液。將特定濃度的SNP分散在5wt%的聚合物溶液中。在使用之前過濾該聚合 物-顆粒溶液。硅樹脂模具具有21cm2的表面積以及覆蓋玻璃的PET基板。第一層由1.3mL 的150mg/mL的聚合物-SNP溶液澆注而成，在60 80°C溫度坡度下1小時，然后在80 100°C溫度坡度下2小時。在整個工藝中維持相對值為_5英寸汞柱的低真空度和20升/ 分鐘的氣流速率。第二層由3. OmL的20mg/mL聚合物-SNP溶液在相同的條件下澆注在第 一層的頂部上而成。獲得黑色膜并且在冷卻之后剝離。底部表面具有消光形貌，并且由于 非常高濃度的SNP，當(dāng)用萬用表測試時，沿長度橫跨整個膜具有2歐姆的低表面電阻。而上 部表面顯示出有光澤的聚合物形貌，并且由于非常低濃度的SNP，其具有無限大的電阻歐姆 值。
圖14A-C顯示了用高分辨率SEM觀測到的橫截面形態(tài)。在這些SEM圖像中，明亮 區(qū)域表示存在SNP(導(dǎo)電的)，而暗區(qū)域表示存在聚合物(較不導(dǎo)電的)。由于聚合物從電 子束充電，形成在上部表面附近的非常明亮帶，這表示在該區(qū)域存在很少或不存在SNP。圖 14A顯示了 SNP的濃度梯度，由于重力從上部表面到底部表面增加。在兩層之間的界面是不 清楚的，因為當(dāng)分布用于第二層的溶液時，第一層的上部表面與澆注的第二層相溶解和融 合。圖14B是在橫截面的下部表面附近的放大區(qū)域，其顯示出緊密堆積的SNP，幾乎沒有團 聚。高放大倍數(shù)(X350k)圖像的圖14C顯示出單獨的SNP粒徑為 20nm。實施例2澆灃的SPES-CNP—層膜為了制備所沭延伸的電極膜,由科琴炭黑納米顆粒 (Ketjen Black carbon nanoparticle)、SPES_IIa(IEC = 1.27)和作為溶劑的 NMP 制備所 述復(fù)合材料溶液。11 Img的SPES聚合物首先溶解入2mL的NMP溶劑中(5. 3%wt)。在超聲 浴整夜之后，將50mg的科琴炭黑添加到所述聚合物溶液中，再超聲浴整晚。在該固體膜中 所獲得的CNP濃度為31wt%。圖15A-D顯示了用高分辨率SEM觀測到的橫截面形態(tài)。因為CNP和基體聚合物由 碳組成，除了由拓撲圖不容易辨認兩相。圖15A-C顯示了該復(fù)合材料膜沿厚度具有幾乎不 變的CNP濃度。非常大的表面積以及CNP的輕重量導(dǎo)致均勻的復(fù)合材料膜。圖15D顯示了 緊密堆積的單個CNP尺寸范圍為30 50nm。實施例3SPES-SNP致動器裝置的制備通過將起始為固體粉末形式的SPES_IIC(IEC = 1.44)與溶劑DMF混合和溶解，制備IOwt%聚合物溶液。另外，將DMF與兩種不同濃度的量 子球(Quantum Sphere)銀納米顆?；旌?00mg/mL和40mg/mL。在超聲浴槽中超聲所有三 種溶液24小時，間歇漩渦三次。然后將SPES聚合物溶液與銀納米顆粒溶液合并，以制備兩 種在5wt%聚合物溶液中的最終濃度為150mg/mL和20mg/mL。在合并以后，將這些最終溶 液放置在超聲浴槽中24小時，間歇漩渦三次。在分散之后，使用5 μ m的針筒式過濾器過濾 兩種溶液。下一步驟包括澆注兩種復(fù)合材料溶液。首先澆注較高濃度的復(fù)合材料溶液，并且 在固化之后，直接在第一層上澆注較低濃度的復(fù)合材料溶液，并且再次固化。通過將PET覆 蓋的玻璃片應(yīng)用于模具的底部制備所使用的21. Ocm2的硅樹脂模具，然后用乙醇清洗。另 外，使用水平調(diào)整裝置確認所述表面的平坦。在爐溫度達到60°C以后，將較高濃度的溶液 施加在所述模具上。首先，使用塑料吸量管施加1. 5ml的150mg/ml復(fù)合材料溶液。一旦 該溶液平坦地鋪展開，爐溫升高至80°C，并且流速設(shè)定為20L/min，并且真空度被設(shè)定為相 對值負3英寸汞柱。在這些條件下固化所述第一層1小時。在1小時之后，將溫度增加至 100°C，并且保持在該條件下兩小時。然后將溫度降回至60°C，并且在爐中保持整夜。第二 天，施加第二層4. 5ml的20mg/ml的溶液，在平坦的層上，也使用塑料吸量管。溫度從60V 開始，并且在相同流速和真空下增加至80°C 1小時。然后，該溫度增加至10(TC 2小時，保 持相同的流速。在冷卻之后，從PET覆蓋的玻璃上去除膜。當(dāng)去除固化后的膜時需要注意，以確保 沒有開裂。去除膜的邊緣，測量厚度和導(dǎo)電性。平均厚度為80 μ m,底部表面上的電阻為3 5歐姆，并且在頂部表面上的電阻為⑴兆歐姆(沿長度)，在⑴兆歐姆處測量橫截面。使用SEM拍攝該膜的橫截面照片，以觀測銀納米顆粒的尺寸和分布。在分析之后，將該膜切割成兩半，然后用純聚合物膜(即介電層)將它們粘結(jié)在一 起。用膜涂布機和多層澆注技術(shù)，由SPES-Ib(IEC = 2. 37)單獨制備該純聚合物膜。復(fù)合 材料層的兩片分別具有69 μ m和63 μ m的平均厚度。中間純聚合物具有132 μ m的平均厚 度。將三層堆疊在一起，其中純聚合物在中間，該復(fù)合材料膜的更好導(dǎo)電性表面向外側(cè)。在 相鄰層之間施加2-甲氧基乙醇作為粘合劑。然后，通過使用熱壓機在70kgf/cm2的壓力和 105°C的溫度下層壓對稱的致動器_傳感器結(jié)構(gòu)5分鐘。所獲得的表面導(dǎo)電率是良好的，對 該實施例不需要增加的表面鍍覆。圖16是層壓的SPES-SNP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的SEM，并且它顯 示出兩相鄰層在界面處完全結(jié)合而沒有分離。在復(fù)合材料的橫截面處的能量色散χ-射線 掃描分析(EDX)線掃描如圖17中所示。沿著復(fù)合材料的厚度的銀分布形成所希望的濃度 梯度和分布。實施例4SPES-CNP致動器裝置的制備也采用與實施例3中所述的類似方法，使用科琴炭 黑、一種由獅子公司(Lion Corp)制造的碳納米顆粒(CNP)。粉末形式的SPES-IIa(IEC = 1. 27)首先與溶劑NMP合并以制備5. 3wt%的溶液，在超聲浴槽中超聲整夜、間歇漩渦三次。 然后，以15mg/ml的濃度將CNP與聚合物溶液直接合并。重復(fù)相同的混合過程，超聲整夜并 且間歇漩渦三次。一旦制備了所述溶液，則在IOcm2的硅樹脂模具中完成澆注，直接在硅模 具表面上完成澆注，沒有針筒過濾或另外的基板。使用水平調(diào)整裝置確信模具的平坦。使 用2mL的復(fù)合材料溶液。第一階段的固化開始于70°C，并且增加至90°C 1小時，設(shè)定相同 的流速和真空度。在一小時后，將溫度增加至110°C 2小時。膜的平均厚度為60 μ m，在干 燥的固體聚合物中CNP濃度為21wt%。在干燥狀態(tài)下用四點探針測量，對于該膜的兩面在 5mA下電阻測量為20歐姆/方塊。完成所述復(fù)合材料膜與純聚合物層的粘結(jié)。使用SPES-Ib(IEC = 2. 37)制備純該 聚合物膜。將該純聚合物膜放置在中間，將所述復(fù)合材料膜的底部表面向外側(cè)。這是因為 該復(fù)合材料膜的上部表面傾向于具有更光滑的表面，這使得所述粘結(jié)更容易。在熱壓中，粘 結(jié)的溫度為120°C，并且施加的壓力為3/4噸，總時間為5分鐘。然后通過金濺射鍍膜將表 面覆層施加在該膜的兩側(cè)以增加表面導(dǎo)電率。實施例5比較市售的Nafion致動器和兩個SPES致動器的致動位移和力輸出。市售Nafion 致動器(樣品A)具有202μπι的厚度，所述延伸的電極層包括還原的Pt納米顆粒，并且表 面電極是Pt。根據(jù)上述的方法制備兩個SPES致動器。樣品B具有328 μ m的厚度，所述延 伸的電極層包括CNP(在SPES-IIa中為21wt%，IEC= 1. 27)，并且表面電極是層壓的銅 網(wǎng)箔(1500目，5.6μπι厚)。樣品C具有576 μ m的厚度，所述延伸的電極層包括CNP (在 SPES-IIa中為21wt%，IEC = 1. 27)，并且表面電極是濺射的金(約120nm)。兩個樣品B和 C具有SPES-Ib的純聚合物層(IEC = 2. 37)，并且兩者都具有各項異性溶脹結(jié)構(gòu)。將1. OV和0. 25Hz的階梯函數(shù)輸入電壓施加到所有樣品。用激光位移傳感器在空 氣中測量致動位移。通過將在每側(cè)的致動位移振幅除以樣品的自由長度(以％計)，計算標(biāo) 準(zhǔn)化的位移。用IOg的測壓元件在零位移位置測量力輸出(阻滯力)，以克力為單位(gf)。 由標(biāo)準(zhǔn)化的位移乘以阻滯力(即力輸出)計算致動功密度。樣品A顯示出大的致動位移但非常小的力輸出，而樣品B和C顯示出較小的致動位移，但是更大的力輸出和良好的可靠 性。由于樣品B和C的增加的厚度，它們的致動位移較小。樣品B和C的致動力輸出分別比 樣品A高約11倍和30倍。樣品B和C的致動功密度分別為樣品A的致動功密度的約9倍 和6倍。還將2. OV和0.25Hz的階梯函數(shù)電壓施加到所有樣品，獲得類似的結(jié)果。在2. OV 下，樣品B和C的致動力輸出分別比樣品A的致動力輸出高約11倍和40倍。樣品B和C的 致動功密度分別比樣品A的致動功密度高約8倍和4倍。其結(jié)果概括于以下表1和2中。表1.在1. OV輸入電壓下的致動力輸出和位移
權(quán)利要求
一種離子聚合物復(fù)合材料裝置，包含兩個延伸的電極層，每個延伸的電極層包含第一離子聚合物和多個導(dǎo)電顆粒；和在所述兩個延伸的電極層之間的包含第二離子聚合物的介電層，其中，所述第二離子聚合物是第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第一離子聚合物是第 一磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第一磺化的聚醚砜聚 合物和第二磺化的聚醚砜聚合物獨立地選自以下化學(xué)式所組成的組NaO3S ° SO3Na(化學(xué)式I)其中，χ為約30 約70 ；(化學(xué)式II)其中，R為H或F，y和ζ中的每個為約30 約70 ；以及 AA(化學(xué)式 πι)AA其中A獨立地為或0H，并且至少一個A是NaO3SSO3NaNaO3SSO3Naο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第二磺化的聚醚砜聚 合物或其衍生物具有約0. 9meq/g 約3. 3meq/g的離子交換容量(IEC)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第一離子聚合物具有 的IEC比第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物的IEC更低。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第一磺化的聚醚砜聚 合物或其衍生物具有至少約1. 4meq/g的IEC。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第一磺化的聚醚砜聚 合物或其衍生物具有至少約2meq/g的IEC。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第二磺化的聚醚砜聚 合物或其衍生物具有至少約1. 4meq/g的IEC。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，至少一種離子聚合物具有 大于約100，000的重均分子量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述多個導(dǎo)電顆粒在所述 兩個延伸的電極層的每個中形成濃度梯度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述濃度梯度具有向所 述延伸的電極層的外部表面增加的濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述多個導(dǎo)電顆粒選自由 銀納米顆粒、其它金屬納米顆粒和碳納米顆粒所組成的組。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述多個導(dǎo)電顆粒是碳納 米顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，進一步包含兩個表面電極，每個 表面電極被設(shè)置在所述延伸的電極層的外部表面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述兩個表面電極層中 的每個包括覆蓋所述延伸的電極層的至少部分外部表面的導(dǎo)電金屬膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述導(dǎo)電金屬膜是連續(xù) 膜、多孔膜、網(wǎng)狀膜或者多條導(dǎo)線。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述導(dǎo)電金屬膜是濺射 鍍膜的金膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述濺射鍍膜的金膜被 熱壓處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其被配置為傳感器或致動器。
20.一種離子聚合物復(fù)合材料裝置，包含兩個延伸的電極層，每個延伸的電極層包括多個區(qū)域和基體相，該多個區(qū)域含有具有 高溶脹比的第一離子聚合物，該基體相包含具有基本上連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，其 中，所述多個區(qū)域被嵌入所述基體相中；以及在所述兩個延伸的電極層之間的、包含第二離子聚合物的介電層，其中，所述第二離子 聚合物是第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述基體相包含非離子 聚合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第一離子聚合物選 自以下化學(xué)式所組成的組(化學(xué)式I)
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置，其中，所述第二磺化的聚醚砜 聚合物選自由化學(xué)式I、化學(xué)式II和化學(xué)式III所組成的組。
24.一種制備權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置的方法，包括
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，使用高速混合器制備所述至少一種混合物。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述高速混合器提供大于約IOG的力。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，在所述兩個離子聚合物層的每層中的所述多 個導(dǎo)電顆粒形成高濃度靠近所述離子聚合物層的第一表面的濃度梯度，并且每個離子聚合 物層的所述第一表面成為所述離子聚合物復(fù)合材料的外部表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述介電層通過以下步驟制備提供所述第二磺化的聚醚砜聚合物溶液；以及通過固化所述第二磺化的聚醚砜聚合物溶液，形成所述介電層。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，提供至少一種混合物包括提供第一混合物和第二混合物，所述第一混合物包含 分散在離子聚合物溶液中的第一濃度的導(dǎo)電顆粒，并且所述第二混合物包含分散在離子聚 合物溶液中的第二濃度的導(dǎo)電顆粒；以及其中，通過固化所述第一混合物形成第一離子聚合物膜以及固化所述第二混合物形成 第二離子聚合物膜，從而形成每個延伸的電極層。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，進一步包括在所述兩個離子聚合物層的每個外部表 面上設(shè)置金屬膜。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述金屬膜被濺射鍍膜在所述兩個離子聚合 物層的每個外部表面上。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進一步包括將熱和壓力施加于所述金屬膜上。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述第一和第二磺化的聚醚砜聚合物或其衍 生物獨立地選自以下化學(xué)式所組成的組
34.一種制備權(quán)利要求1所述的離子聚合物復(fù)合材料裝置的方法，包括提供包含溶解在溶劑中的所述離子聚合物、所述基體相聚合物和多個導(dǎo)電顆粒的液體 混合物；通過將所述液體混合物覆在基板上并且干燥，形成兩個延伸的電極層； 提供包含磺化的聚醚砜聚合物的介電層；以及將所述介電層結(jié)合在兩個延伸的電極層之間，以形成所述離子聚合物復(fù)合材料裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述離子聚合物選自由以下化學(xué)式所組成的組
全文摘要
本發(fā)明提供了一種離子聚合物裝置及其制備方法，特別地，提供了一種離子聚合物復(fù)合材料裝置和用于制備所述離子聚合物復(fù)合材料裝置的方法。所述離子聚合物復(fù)合材料裝置包含兩個延伸的電極層和在所述兩個延伸的電極層之間的介電層，每個延伸的電極層包含至少一種具有多個導(dǎo)電顆粒的離子聚合物，所述介電層包含至少一種磺化的聚醚砜聚合物或其衍生物。
文檔編號C08L81/06GK101942104SQ201010222968
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者中島文一郎, 吳永現(xiàn), 武田信司, 淺野直紀, 福地巖, 蔡瀚寬 申請人:日立化成工業(yè)株式會社;日立化成研究中心公司