电活化聚合物的应用研究
作者：许琬璐曹建波嵇佳江佳禹杰王若仰
来源：《科技创新导报》2011年第15期
摘要:为了缓解经济发展与能源及环境之间的矛盾,本文对电活化聚合物这种清洁、高效的新型能源材料进行了调查研究及实验分析,介绍了该材料的性能及发电原理,同时对国内外的应用现状进行了分析,揭示了电活化聚合物广阔的应用前景和发展趋势。
关键词:电活化聚合物应用发电发展趋势
中图分类号:TK5 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0009-03
1 引言
电活化聚合物(Electroactive Polymers, EAPs)因其独特的电性能和机械性能而受到人们的极大关注[1],其具有价格便宜、清洁高效、容易制造且质地柔顺等优点。虽然对该物质的研究已长达近30年,但只是在近些年来,人们才真正在驱动器材料方面有所收获。如美国的斯坦福研究所、伊利诺斯州大学,欧洲的爱尔兰、英国、意大利等国家及日本的几个公司。其中,美国的AMI(Artificial Muscle Inc.)公司专门开发了基于电活化聚合物的新型技术平台,目前服务于基于该材料的包括工业、医疗、消费、汽车及航天等领域的大约40亿美元的市场[2]。有关EAPs 的材料及应用的研究在我国逐渐受到关注,近年来陆续有国内作者以综述的形式介绍有关EAPs 研究及应用的情况[3-7],并有少量相关该材料研究的报道[8,9],目前国内的介绍及研究均集中在驱动领域。但作为发电材料,还尚且处于研究阶段。
2 国外应用及研究现状
电活化聚合物材料具有很大的应变能力,应用于驱动领域可制造重量轻、驱动效率高、抗振性能好的驱动器,是具有发展潜力的仿生材料。同时,电活化聚合物是一类在电场的激励下,通过尺寸和形状的改变产生电能的聚合物,可广泛应用于发电领域。
2.1 机器塑料鱼
日本大阪的Eamex公司生产了一种基于电活化聚合物的机器鱼[10]。其内部不包含任何机械部分:没有马达、传动轴、齿轮,甚至连一节电池都没有。它们是靠内在力驱动的塑料鱼,可以和真鱼一样在水中游动,这些鱼之所以会游泳,就是因为它们的塑料内脏在来回弯曲。这是基于电活化聚合物的第一批商业化产品。
2.2 仿真肌肉
电活化聚合物在其仿制生物肌肉时会表现出它的高韧性,以及很高的传动应变和内在减震能力,为制造生物信号激励的机器人提供了材料。Yoseph Bar-Cohen属于这一领域的带头人之一,他致力于研制用仿真肌肉传动的机器人手臂,―臂力‖已经能够胜过真人(图1)。这方面的进展将产生巨大的效益,尤其是在医疗方面,如制造强有力的假肢等[11]。
2.3 锂离子蓄电池电极材料
F.Denton[12]等阐述了利用电活化聚合物作为过充保护机制的可行性。电活化聚合物用于锂离子蓄电池的过充保护主要是利用其电导率在氧化和还原状态下的显著变化以及这个过程的可逆性来实现的,具体过程如图2所示。1987年日本已将钮扣式Li-AI/LiBF4-PC/PAn电池投放市场,成为第一个商品化的塑料电池[13]。
2.4 电活化分离膜
20世纪80年代初Burgmayer和Murray提出基于电活化聚合物CEP(Conducting Electroactive Polymers)的离子选通膜的概念,图3显示了动态CEP膜的一般工作原理[14]。该装置为三电极系统的迁移电池,使用独立式聚毗咯/对甲苯磺酸盐(pTS)膜作工作电极。利用此装置可以转换聚合物膜的氧化和还原状态,从而实现并控制聚合物进行离子交换。
2.5 利用人体能的便携式发电机
电活化聚合物所具有的高能量比、大应变、柔顺性及低的材料密度、耐冲击等特性,使之可与人体关节等动作直接耦合,可构造成一种合身穿戴、成本低廉而高效的轻型发电机。利用人体的关节、脚跟冲击等动作发电颇具前景。图4为美国斯坦福研究所(SRI)开发的一个鞋跟冲击鞋发电机[2]。
电活化聚合物所具有的许多优良特性使其具有广阔的应用前景。随着电活化聚合物材料制造工艺的日趋成熟,其在发电领域的研究必将受到重视。
3 国内应用及研究现状
有关EAPs材料及应用的研究在我国逐渐受到关注,电活化聚合物材料可在驱动和发电两种模式下工作[15]。目前国内的介绍及研究均集中在驱动领域。2006年863项目指南把―大变形电致活性聚合物材料在类天然肌肉驱动器件中的设计和应用技术‖列为专项,但是目前为止国内大学、科研机构关于EAPs驱动、结构及应用研究的报道和文章极少,中山大学跟踪国外研究进展,已在广东省立项进行EAPs驱动传感领域的研究,主要使用丙烯酸聚合物薄膜,研究单双向预拉伸驱动器及其机电耦合驱动特性,研制弹簧圆柱单自由度驱动器件等[7]。此外,挪威科学技术大学[16]和国内同济大学[17]开始了电活化聚合物发电的研究。合肥工业大学开始了电活化聚合物一维伸缩致动器设计[18],并进行了电活化聚合物的力学性能模型研究[19]。安徽工业大学进行了电活化聚合物材料特性的数学建模研究及分析[20]。重庆工业大学进行了电活化聚合物的破坏机理分析研究[21]。浙江师范大学鄂世举等多位老师依据介电弹性体薄膜材料的结构特
征,分析了发电模式下介电弹性体材料发电的基本机理,通过仿真及实验分析了该材料的电能转换过程,验证电活化聚合物发电的实验电路原理图如图5所示,其发电实验结果如图6所示[15]。
4 发展趋势
作为一种新型材料,电活化聚合物已逐渐受到人们的重视,其具有的众多优点也为它广泛的应用前景奠定了基础。
(1)电活化聚合物材料重量轻、能耗低、价格便宜,尤其是该种材料柔软,动作特性与动物的肌肉相似,因此在柔性机器人、微机械、医疗、仿生机械、航天、军事、玩具等方面EAPs作为一种新型材料颇具应用潜力。
(2)以丙烯酸聚合物和硅橡胶为典型代表的绝缘弹胶物,是电活化聚合物的一种,该类材料响应速度快、变形大、转换效率高,可以应用于许多场合,如位移传感器、泵、机器人、人造肌肉手臂、蝶形、曲辊形传感器等。
(3)面向发电领域,根据电活化聚合物的性能特点,特别适合于针对低频、大变形能量源进行发电的场合,如用于风力及海浪、潮汐发电等场合以及单兵装备中。
随着研究的不断深入,电活化聚合物的应用是很有前景的。
5 结语
电活化聚合物在驱动领域已广受关注,其良好的生物相容性,使其成为具有发展潜力的仿生材料。在发电领域,其成本低廉、清洁高效的特点在能源产业也具有广阔的应用前景。但就目前的形势而言,要实现这些应用还需要通过大量的研究来解决面临的难题。能源问题是世界关注的问题,加大对电活化聚合物的研究利用,会使我们的环境和经济得到很大的提高。
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