壳聚糖凝胶导电聚合物电致动器的制备

吴露露 张敬伟 李函 林川 张博 葛福琛

摘 要：为了获得双层和三层导电聚合物电致动器，需要在不导电的的柔性聚合物上涂覆上导电物质，例如金、铂，以确保导电聚合物的电化学沉积的高导电性[1]。在本项研究中，我们通过在石墨中掺杂聚吡咯的导电涂层替代了原先的金属层，制备了壳聚糖凝胶导电聚合物电致动器。此外，还进行了多组单因素实验测试并分析其对致动器的影响，找到其最佳的制备工艺，从而降低了材料的制作成本。通过实验证明，壳聚糖凝胶导电聚合物电致动器时生物组织接口的理想候选者[2]，可应用于微传感器和组织工程，尤其是生物医学领域。

关键词：壳聚糖;致动器;弯曲;聚吡咯

1.前言

近年来，随着现代科技技术的发展，轻巧，微型，灵活的驱动设备已成为社会发展的重点，机电一体化，人造肌肉就是经典例子之一。与传统人造肌肉相比，电活性聚合物（EAP）具有柔韧性好，重量轻和变形大等优点，因此备受欢迎，在电场的刺激下，EAP可快速实现尺寸和变形膨胀的变化，成为传感器和执行器的理想选择。

EAP主要包括电场类型和离子类型。离子型EAP由于其优越的特性而备受瞩目（在相同条件下施加的电压小，变形大，快速响应）。但是由于电场型EAP需要达到材料超高的击穿电压，因此这种EAP正逐渐消失。

在过去的几十年中，IPMC由于其出色的输出变形和响应速度在仿生机器人、微型医疗设备和水下推进方面有杰出成就。但是，电极是IPMC的致命缺陷，并且由于其在空气中易流失水的缺点严重限制了IPMC的应用，这种特性导致其寿命短，导电聚合物响应速度非常慢，在工程应用上并不理想。与传统导电聚合物和IPMC相比，离子型EAP与羰基衍生物的相容性更利于制备柔性电极，响应速度更快，制备形式更多样化。因此在本研究中，我们提出了一种壳聚糖凝胶电制动器[2]。

2.壳聚糖凝胶导电聚合物电致动器的制备

取一定量的壳聚糖并加入一定量的2%乙酸溶液，放入烧杯中，然后将烧杯放入磁力搅拌器中在适宜温度下的水浴中加热搅拌若干分钟，直到大部分壳聚糖溶解为止。然后将适量的石墨加入殼聚糖溶液中，再通过磁力搅拌器搅拌数分钟，直到充分混合。放入超声波清洗机中进行消泡处理若干分钟。随后将混合溶液浇铸在硅胶烘烤垫3x4厘米的区域，使与硅胶接触的薄膜表面呈现多孔形貌。然后将其置于真空干燥箱中干燥，温度设定在适宜即可，真空度为-0.05MPa，真空干燥若干小时。取出薄膜，将其置于烧杯中，将一定浓度的掺杂酸和吡咯混合溶液搅拌充分后加入到烧杯中;一定时间后，加入一定量的过硫酸铵（APS）溶液，使吡咯氧化聚合，与壳聚糖形成互穿网络（IPN）使其不分层，控制反应温度及反应时间;将壳聚糖薄膜取出，用蒸馏水反复冲洗，洗去薄膜表面吸附不牢的聚吡咯。

2.1. 单因素实验的研究

2.1.1.干燥时间的选择

固定壳聚糖的用量为0.36g，固定乙酸用量、石墨用量、真空干燥温度、磁力搅拌速度等变量，改变真空干燥时间分别为1h，2h，3h，4h，观察真空干燥后壳聚糖薄膜的形貌并进行筛选，并以反映弯曲的偏转角度大小确定最佳的壳聚糖导电聚合物。

随着干燥时间的不断增加，壳聚糖导电聚合物的弯曲程度先增加再减少。当干燥时间为3h时，弯曲程度达到最大。这是由于干燥时间过短时，导致膜表面仍有水分残留或无法成膜。干燥时间过长时，会形成表面有大量的气孔、表面缺陷多的薄膜。

2.1.2.搅拌速度的选择

固定壳聚糖的用量为0.36g，固定乙酸用量、石墨用量、真空干燥时间、真空干燥温度、等变量，改变磁力搅拌速度分别为10r/min、15r/min，20r/min，25r/min，30r/min，观察真空干燥后壳聚糖薄膜的形貌并进行筛选，并以反映弯曲的偏转角度大小确定最佳的壳聚糖导电聚合物。

随着搅拌速度的不断增加，壳聚糖导电聚合物的弯曲程度先增加再减少。在搅拌速度为20r/min时，弯曲程度达到最大。这是由于当搅拌速度较小时，壳聚糖未完全溶解;当搅拌速度较大时，烧杯中的转子极度不稳定，壳聚糖也不能完全溶解，从而导致制作出来的薄膜表面形态粗糙、有开裂的现象。

3.结论

总而言之，我们研究了一种高度相容的壳聚糖基导电聚合物电致动器，该电致动器由石墨以及壳聚糖和离子液体所组成，它结合了基质的良好加工性和导电性。本文研究了干燥时间和搅拌速度对致动器的影响，结果表明，这两个因素的变化使壳聚糖膜的偏转角度发生了很大的变化，从而对壳聚糖凝胶导电聚合物电致动器的性能产生了深远的影响[2]。结合实际因素，这项研究提出了生物相容性制备工艺，并得出了最佳的制备工艺条件为干燥时间为3h，搅拌速度20r/min，为仿生人工致动器领域的进一步研究提供了新思路。

参考文献

[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）.

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（201910214070）

作者简介：吴露露（1999?），女，河南省项城市人，在读本科生，专业为食品科学与工程。