PVC gel材料驅(qū)動性能研究

潘 輝，何青松，于 敏，尹國校，田成博，吳雨薇，曾 博

(1.南京航空航天大學 機電學院 江蘇省仿生功能材料重點實驗室， 南京 210016；2.北京精密機電控制設備研究所 航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實驗室，北京 100076)

0 引言

驅(qū)動技術(shù)是機械系統(tǒng)進步的重要標志，也是機電系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。隨著人類社會的不斷發(fā)展以及科學技術(shù)的不斷進步，人類對驅(qū)動器的性能需求不斷提升。目前的驅(qū)動技術(shù)多為電機驅(qū)動，而電機的剛性驅(qū)動需要復雜的電磁線圈以及傳動機構(gòu)，體積笨重，存在振動、沖擊、噪聲、電磁干擾以及誤差積累等缺點[1-3]。柔性驅(qū)動器由軟質(zhì)材料構(gòu)成，可模仿自然界的軟體生物，能夠根據(jù)實際需要主動改變自身形狀和尺寸，同時耐沖擊性強、環(huán)境相容性好、無電磁干擾和誤差積累現(xiàn)象[4-5]。相比傳統(tǒng)驅(qū)動裝置，柔性驅(qū)動器更靈活、更易應用在復雜環(huán)境中，可成為補充和替代傳統(tǒng)驅(qū)動器的重要技術(shù)。因此研究具有類肌肉性能的軟體驅(qū)動器件對高性能器件、軟體機器人的研究和MEMS系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

聚氯乙烯凝膠(poly vinyl chloride gel，PVC gel)作為一種新型的電子型電活性聚合物(electroactive polymer,EAP)材料，具有質(zhì)量輕、透明度高、應變應力大、工作頻帶寬和響應速度快等優(yōu)點，在高性能機器人、光學透鏡、航空航天、生物醫(yī)療等領域具有重要的應用前景[6-8]。PVC gel驅(qū)動器整體呈三明治結(jié)構(gòu)，以不銹鋼金屬網(wǎng)作為陽極，置于兩片PVC gel薄膜之間，金屬銅箔片作為陰極分別貼附在PVC gel薄膜兩側(cè)。當施加電壓時，PVC gel在靜電力(Maxwell力)作用下向陽極金屬網(wǎng)孔內(nèi)蠕動，從而使驅(qū)動器在厚度方向上產(chǎn)生收縮變形，其變形機理如圖1所示。PVC gel的致動機理比較復雜，目前大多數(shù)研究學者認為是在電場作用下，PVC gel內(nèi)部的增塑劑分子(DBA)從陰極向陽極移動，在陽極附近形成負電荷密度較高的溶劑層(S-R層)，于是在靜電力(Maxwell力)的作用下，凝膠會沿著陽極側(cè)發(fā)生蠕動變形[9-10]。

圖1 PVC gel驅(qū)動器工作原理示意圖

近幾年，研究人員開發(fā)了多種基于PVC gel的驅(qū)動器[11-13]。Hashimoto的團隊在PVC gel驅(qū)動器方面做了很多研究工作，他們分別研究了增塑劑含量和陽極金屬網(wǎng)目數(shù)對PVC gel驅(qū)動性能的影響[14-15]，并制備出了疊加20層的PVC gel驅(qū)動器，該驅(qū)動器在400 V的電場下收縮率為12%[16]。Asaka等[9]研究了厚度對PVC gel的影響，并建立了PVC gel電化學模型。Hwang等[17]通過摻雜氧化石墨烯(GO)制備了PVC/GO gel驅(qū)動器，該驅(qū)動器相比傳統(tǒng)PVC gel驅(qū)動器，收縮位移和輸出力分別提升了20%和36%，在1 500 V電壓下收縮位移和輸出力分別達到了0.24 mm和27.65 mN。Ali等[18]基于功能性多壁碳納米管(FMWCNTs)制備了一種PVC/FMWCNTs驅(qū)動器，在1 000 V下，該驅(qū)動器的最大收縮率可達34%。上述基礎研究雖然在一定程度上提高了PVC gel的輸出性能，但其驅(qū)動性能的改善還有很大的提升空間，距離商業(yè)應用還存在較大差距。

根據(jù)已有文獻結(jié)合PVC gel的工作原理可知，在制備過程中增塑劑含量、凝膠厚度以及陽極網(wǎng)狀電極目數(shù)對PVC gel的驅(qū)動性能影響較大。為了更加全面地提高PVC gel的驅(qū)動性能，本文分別研究增塑劑含量、凝膠厚度和陽極金屬網(wǎng)目數(shù)對PVC gel驅(qū)動器的驅(qū)動性能影響，并用工作電流、收縮位移和輸出力來表征PVC gel驅(qū)動器的綜合驅(qū)動性能，進而為高性能PVC gel驅(qū)動器的研究和應用提供參考價值。

1 實驗

1.1 實驗材料

聚氯乙烯粉末(PVC，CAS 9002-86-2)購買于美國Sigma-Aldrich公司；己二酸二丁酯(DBA，CAS 105997)購買于美國Sigma-Aldrich公司；四氫呋喃(THF，CAS 109999)購買于上海阿拉丁儀器有限公司。

1.2 PVC gel薄膜的制備

PVC gel薄膜作為PVC gel驅(qū)動器的動力源，其優(yōu)異的材料性能對PVC gel驅(qū)動器有著至關重要的作用。PVC gel薄膜主要由聚氯乙烯(PVC)和增塑劑己二酸二丁酯(DBA)組成，兩者按一定質(zhì)量比溶解于有機溶劑四氫呋喃(THF)中，經(jīng)THF揮發(fā)后形成無色透明的凝膠薄膜。其具體制備流程如下：

1) 將PVC∶DBA按照質(zhì)量比為1∶5、1∶7、1∶9和1∶11分別稱取材料；

2) 將稱取的PVC粉末和DBA分別加入含有THF的錐型瓶中；

3) 密封錐形瓶以防止THF揮發(fā)，將錐型瓶放在磁力攪拌機上磁力攪拌24 h(轉(zhuǎn)速1 500 r/min，室溫)，使聚氯乙烯顆粒充分溶解，即可得到無色透明的PVC凝膠混合溶液；

4) 將PVC凝膠溶液澆注在玻璃器皿中，放置在通風櫥中自然揮發(fā)2～3 d后即可得到無色透明、柔軟且厚度均勻的PVC gel薄膜。

1.3 PVC gel驅(qū)動器制備及實驗設計

將制備的PVC gel薄膜剪裁成直徑為40 mm的圓形(見圖2(a))，以不銹鋼金屬網(wǎng)作為陽極(見圖2(b))，置于兩片PVC gel薄膜之間，金屬銅箔片作為陰極(見圖2(c))分別貼附在PVC gel薄膜兩側(cè)，即可實現(xiàn)PVC gel驅(qū)動器(見圖2(d))的制備。根據(jù)PVC gel的工作原理，擬分別研究增塑劑含量、凝膠厚度和陽極金屬網(wǎng)目數(shù)對PVC gel驅(qū)動器的驅(qū)動性能影響。

圖2 PVC gel驅(qū)動器制備

1) 為了研究增塑劑含量對PVC gel驅(qū)動性能的影響，分別按PVC和DBA質(zhì)量比為1∶5、1∶7、1∶9和1∶11，制備了厚度均為0.5 mm的4種不同DBA含量的PVC gel，且陽極金屬網(wǎng)目數(shù)均采用20目，為了便于分析，將其分別命名為DBA-5、DBA-7、DBA-9和DBA-11；

2) 為了研究PVC gel凝膠厚度對其驅(qū)動性能的影響，以DBA-9為基礎，分別制備了厚度為0.25、0.5、1.0 mm的3種不同厚度的試樣，且陽極金屬網(wǎng)目數(shù)均采用20目；

3) 為了探究金屬網(wǎng)目數(shù)對PVC gel驅(qū)動性能的影響，以厚度為0.5 mm的DBA-9為基礎，分別研究了陽極金屬網(wǎng)目數(shù)為10、20、30目對PVC gel驅(qū)動器性能的影響。實驗過程中PVC gel凝膠直徑均為40 mm；3種目數(shù)的陽極網(wǎng)狀電極均采用直徑為40 mm，厚度為0.76 mm的不銹鋼金屬網(wǎng)；陰極統(tǒng)一采用直徑為40 mm厚度為0.02 mm的金屬銅箔。

1.4 測試與表征

為了更加全面地測試PVC gel驅(qū)動器在電信號下的驅(qū)動性能，分別在100、200、300、 400 V的直流下測試了PVC gel驅(qū)動器工作電流、收縮位移和輸出力，測試原理如圖3所示。采用耐壓測試儀(RK22672CM，美瑞克，中國)輸出電壓信號并記錄PVC gel的工作電流，并利用激光位移傳感器(LK-G3000，基恩士，日本)和高精度微型拉壓力傳感器(HYLY-019，中航電測，中國)分別測量PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和輸出力。PVC gel驅(qū)動器的輸出力包括收縮力和恢復力，收縮力是指PVC gel驅(qū)動器在施加電壓時收縮產(chǎn)生的力，恢復力是指PVC gel驅(qū)動器在斷電后恢復原狀所產(chǎn)生的力。

2 結(jié)果與討論

2.1 增塑劑含量的影響

圖4為4種不同增塑劑含量(DBA-5、DBA-7、DBA-9和DBA-11)的PVC gel驅(qū)動器在直流電壓輸入下的工作電流、收縮位移和輸出力，從圖中可以看出，4種不同增塑劑含量的PVC gel驅(qū)動器的工作電流、收縮位移、收縮率、收縮力和恢復力都隨電壓的增加而增大，這也說明了PVC gel是一種適合通過電壓來調(diào)節(jié)和控制其驅(qū)動效果的電致動材料。

圖4(a)為增塑劑DBA含量對PVC gel驅(qū)動器工作電流的影響?？梢钥吹?，PVC gel驅(qū)動器的工作電流隨電壓和增塑劑含量的增加而增大，并且電流大小都是在微安級別，這說明PVC gel驅(qū)動器具有低功耗的特點。在400 V直流電壓下，PVC和DBA質(zhì)量比為1∶11的PVC gel驅(qū)動器的工作電流最大，為439 μA；而PVC和DBA質(zhì)量比為1∶5的PVC gel驅(qū)動器的工作電流最小，為210 μA。引起這種變化趨勢的主要原因是：在電場下，PVC gel內(nèi)部初始電荷隨增塑劑分子(DBA)移動到陽極附近，并形成負電荷密度較高的溶劑層，且增塑劑分子(DBA)含量越高，溶劑層的負電荷密度越高，電荷量變化也越大[14,19-20]。因此，由電荷與電流關系可知，PVC gel工作電流隨增塑劑含量增加而增大。

圖4(b)和圖4(c)分別表示增塑劑(DBA)含量對PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和收縮率的影響，4種增塑劑含量的PVC gel驅(qū)動器初始整體厚度均為1.8 mm。從圖中可以看出，PVC gel驅(qū)動器的收縮位移隨電壓的升高而增大，即位移性能與電壓幅值成正相關。在400 V電壓下，當PVC和DBA質(zhì)量比為1∶5的PVC gel驅(qū)動器輸出性能表現(xiàn)最差，其收縮位移和收縮率分別為0.295 mm和16.38%；當PVC和DBA質(zhì)量比為1∶7時，其收縮位移和收縮率分別為0.459 mm和25.5%，相比DBA-5增加了9.12%；當PVC和DBA質(zhì)量比為1∶9時，其收縮位移和收縮率分別達到了0.57 mm和31.6%，相比DBA-7增加了6.1%；而當PVC和DBA質(zhì)量比為1∶11時，其收縮位移和收縮率分別為0.409 mm和22.7%，相比DBA-9卻下降了8.9%；根據(jù)PVC gel致動機理[9]可知，負電荷密度與增塑劑(DBA)含量成正相關[21]，負電荷密度越高，溶劑層(S-R層)與陽極間的靜電力越大，凝膠發(fā)生蠕動變形也就越大。從DBA-5、DBA-7和DBA-9 3種凝膠的收縮位移可以觀察到，凝膠在網(wǎng)格內(nèi)蠕動變形所產(chǎn)生的收縮位移，隨著增塑劑含量的升高而升高，此外，凝膠的蠕動變形并不全都以增塑劑含量為主導，也跟凝膠的彈性模量有關[22]，當增塑劑含量過高時，其彈性模量會下降[14]，凝膠的剛度不足以支撐其在陽極金屬網(wǎng)格內(nèi)產(chǎn)生大的蠕動變形，進而導致位移變化減小。

圖4 增塑劑含量對PVC gel驅(qū)動器輸出性能影響曲線

圖4(d)和圖4(e)分別表示增塑劑(DBA)含量對PVC gel驅(qū)動器的收縮力和恢復力的影響。從圖中可以看出，PVC gel驅(qū)動器的輸出力變化趨勢跟其收縮位移呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即兩者均隨電壓的增加而增大。在400 V電壓下，當增塑劑含量為DBA-9時，PVC gel驅(qū)動器的輸出力表現(xiàn)最優(yōu)，其收縮力和恢復力分別達到了948 mN和1 125 mN；而當增塑劑含量為DBA-5時，PVC gel驅(qū)動器的輸出力表現(xiàn)最差，其收縮力和恢復力僅為313 mN和475 mN。分析其原因，凝膠的輸出力跟其彈性模量和輸出位移有關[23]，雖然4種凝膠的彈性模量隨增塑劑含量升高而減小[14]，但其變化量沒有收縮位移變化量大，因此在式(1)中收縮位移占主導因素，故輸出力變化趨勢與收縮位移的變化趨勢一致。結(jié)合圖4(b)可知，增塑劑含量為DBA-9的PVC gel驅(qū)動器收縮位移最大，所以該PVC gel驅(qū)動器輸出力最大。

F=σ*S=E*ε*S

(1)

其中:F為輸出力，σ為應力，E為楊氏模量，ε為PVC gel驅(qū)動器應變量，S為橫截面積。

綜上所述，當增塑劑含量為DBA-9時，PVC gel驅(qū)動器的輸出性能最優(yōu)。

2.2 凝膠厚度的影響

圖5為3種不同厚度的PVC gel驅(qū)動器在直流100、200、300、400 V 電壓輸入下的工作電流、收縮位移和輸出力。從圖中可以明顯看出，3種不同厚度的PVC gel驅(qū)動器的工作電流、收縮位移、收縮率、和輸出力均隨電壓的增加而增大，再次驗證了PVC gel驅(qū)動器是一款適合電壓操控的材料。

圖5 凝膠厚度對PVC gel驅(qū)動器輸出性能影響曲線

圖5(a)表示不同凝膠厚度的PVC gel驅(qū)動器在電壓下的工作電流變化趨勢。從圖5(a)可以看出，3種凝膠厚度的PVC gel驅(qū)動器的工作電流雖然均隨電壓的增加而增大，但電流依然維持在微安級別。在400 V直流電壓下，凝膠厚度為0.25 mm的PVC gel驅(qū)動器的工作電流最大為720 μA；當凝膠厚度增加至0.5 mm時，PVC gel驅(qū)動器的工作電流大小有所減小，為356 μA；當凝膠厚度繼續(xù)增加至1.0 mm時，PVC gel驅(qū)動器工作電流最小，為262 μA。通過比較厚度可以看出，PVC gel的工作電流大小隨凝膠厚度的增加而減小。這是因為PVC gel的等效電路可以用并聯(lián)的電阻和電容表示[9]，電阻與凝膠的厚度成正相關，因此電流隨著PVC gel厚度的增加而減小。

圖5(b)和圖5(c)分別表示凝膠厚度對PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和收縮率的影響。凝膠厚度為0.25 mm的PVC gel驅(qū)動器初始整體厚度為1.3 mm，在400 V電壓下，其收縮位移和收縮率分別為0.365 mm和28%；當凝膠厚度增加至0.5 mm時，PVC gel驅(qū)動器初始整體厚度為1.8 mm，在400 V電壓下，其收縮位移和收縮率分別為0.57 mm和31.6%，比厚度為0.25 mm的PVC gel提升了3.6%；當凝膠厚度進一步增加至1.0 mm時，PVC gel驅(qū)動器初始整體厚度為2.8 mm，在400 V電壓下，其收縮位移和收縮率分別為0.392 mm和14%，相比厚度為0.5 mm的PVC gel降低了17.6%。引起這種現(xiàn)象的主要原因是PVC gel阻抗與其厚度成正相關[9]，因此厚度為1.0 mm的凝膠阻抗較大，在100～400 V的電壓輸入下難以激勵其內(nèi)部的增塑劑完全移動到陽極，雖然有位移變化，但其收縮率比較低；厚度為0.25 mm的凝膠雖然阻抗較低，收縮率較高，但驅(qū)動器整體厚度較薄,僅為1.3 mm，因此整體收縮位移并不明顯；而厚度為0.5 mm的凝膠具有相對較小的阻抗，且驅(qū)動器整體厚度較為適中，在此電壓下足以刺激凝膠內(nèi)部的增塑劑移動到陽極，因此其整體收縮位移和收縮率都較高。

圖5(d)和(e)分別為3種不同厚度的PVC gel驅(qū)動器在不同電壓下的收縮力和恢復力?？梢钥闯?種不同厚度的PVC gel驅(qū)動器的收縮力和恢復力都隨電壓的增加而增大。在400 V電壓下，凝膠厚度為0.5 mm的PVC gel驅(qū)動器輸出力性能最優(yōu)異，其收縮力和恢復力分別達到了948 mN和1 125 mN；凝膠厚度為1.0 mm的PVC gel驅(qū)動器輸出力次之，其收縮力和恢復力分別為603 mN和957 mN。而當凝膠厚度為0.25 mm時，PVC gel驅(qū)動器的輸出力表現(xiàn)最差，其收縮力和恢復力僅為515 mN和811 mN。引起這種現(xiàn)象的原因主要是：PVC gel驅(qū)動器的輸出力與其收縮位移和彈性模量成正相關(如式(1)所示)，結(jié)合圖5(b)可以看出，凝膠厚度為0.5 mm的PVC gel驅(qū)動器的收縮位移最大；凝膠厚度為1.0 mm的PVC gel驅(qū)動器收縮位移次之；而凝膠厚度為0.25 mm的PVC gel驅(qū)動器收縮位移最小，且其彈性模量也最小[23]，因此凝膠厚度為0.25 mm的PVC gel驅(qū)動器輸出力最小。

2.3 陽極金屬網(wǎng)目數(shù)的影響

為了進一步研究陽極金屬網(wǎng)目數(shù)對PVC gel驅(qū)動性能的影響，本文在增塑劑含量為DBA-9，凝膠厚度為0.5 mm的基礎上，研究了10、20、30目的陽極金屬網(wǎng)對PVC gel驅(qū)動器的工作電流、收縮位移以及輸出力的影響，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 陽極金屬網(wǎng)目數(shù)對PVC gel驅(qū)動器輸出性能影響曲線

圖6(a)為3種不同金屬網(wǎng)目數(shù)的PVC gel驅(qū)動器在電壓下的電流變化，可以看出，PVC gel驅(qū)動器的工作電流隨金屬網(wǎng)目數(shù)和電壓的增加而增大。例如在400 V電壓下，陽極金屬網(wǎng)為10目的PVC gel驅(qū)動器的輸出電流最小，為312 μA；當陽極金屬網(wǎng)目數(shù)增加至20目時，PVC gel驅(qū)動器的工作電流大小為356 μA；當目數(shù)進一步增加至30目時，PVC gel驅(qū)動器的工作電流最大，為611 μA。引起這種變化的主要原因是：隨著陽極金屬網(wǎng)目數(shù)的增加，凝膠和金屬網(wǎng)的接觸面積也增大；由文獻[9]可知，當陽極金屬網(wǎng)與凝膠的接觸面積增大時，PVC gel驅(qū)動器的阻抗會減小，因此PVC gel驅(qū)動器的電流隨著陽極金屬網(wǎng)目數(shù)的增加而增大。

圖6(b)和(c)分別為3種不同目數(shù)PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和收縮率，3種不同目數(shù)的PVC gel驅(qū)動器初始整體厚度均為1.8 mm。從圖中可以看出，3種陽極金屬網(wǎng)目數(shù)的PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和收縮率都隨電壓的增加而增大。在400 V電壓下，當陽極金屬網(wǎng)為10目時，PVC gel驅(qū)動器的收縮位移僅為0.44 mm，其收縮率為24.4%；當陽極金屬網(wǎng)目數(shù)增加至20目時，PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和收縮率分別為0.57 mm和31.6%，相比10目增加了7.2%；當目數(shù)進一步增加至30目時，PVC gel驅(qū)動器的收縮位移和收縮率分別為0.513 mm和28.5%，相比20目卻下降了3.1%；引起這種差異的主要原因是10目的金屬網(wǎng)網(wǎng)格太稀疏，與凝膠接觸面積較小，對凝膠電刺激響應不夠；而當金屬網(wǎng)目數(shù)為30目時，雖然網(wǎng)孔較為致密，但網(wǎng)孔體積較小，難以為凝膠蠕動變形提供足夠的空間，這一現(xiàn)象在文獻[15]中已有描述；而20目的陽極金屬網(wǎng)，在網(wǎng)孔面積合適的情況下，能為凝膠提供足夠的空間，從而使凝膠產(chǎn)生一個較大的蠕動位移。

圖6(d)和(e)分別為3種不同陽極金屬網(wǎng)目數(shù)的PVC gel驅(qū)動器在不同輸入電壓下的收縮力和恢復力。從圖中可以看出，PVC gel驅(qū)動器在金屬網(wǎng)目數(shù)方面的力輸出變化趨勢跟其位移輸出變化趨勢相似，即3種不同目數(shù)的PVC gel驅(qū)動器的收縮力和恢復力都隨電壓的增加而增大。在400 V電壓下，當陽極金屬網(wǎng)為20目，PVC gel驅(qū)動器的輸出力性能最優(yōu)，其收縮力和恢復力分別達到了948 mN和1 125 mN；而當陽極金屬網(wǎng)為10目時，PVC gel驅(qū)動器的收縮力和恢復力僅為450 mN和561 mN。引起這種變化的主要原因是：雖然陽極金屬網(wǎng)目數(shù)不同，但PVC gel增塑劑含量都是DBA-9，其彈性模量也相同，由式(1)可知，PVC gel驅(qū)動器的輸出力跟其收縮位移成正相關，因此當陽極金屬網(wǎng)為20目時，PVC gel驅(qū)動器力輸出性能最優(yōu)異。

3 結(jié)論

PVC gel作為一種新型的柔性驅(qū)動材料，在軟體機器人、MEMES系統(tǒng)、醫(yī)療康復設備等高性能機電系統(tǒng)方面具有重要的應用前景。為了進一步提升PVC gel驅(qū)動器的驅(qū)動性能，分別從增塑劑含量、凝膠厚度和陽極金屬網(wǎng)目數(shù)3個方面對PVC gel驅(qū)動器的驅(qū)動性能進行了研究，并用工作電流、收縮位移和輸出力來表征PVC gel驅(qū)動器的綜合驅(qū)動性能，結(jié)果表明，PVC gel驅(qū)動器的工作電流、收縮位移和輸出力均隨電壓的增加而增大。此外，PVC gel的工作電流隨增塑劑含量和陽極金屬網(wǎng)目數(shù)的增加而增大，隨凝膠厚度的增加而減小，并且其工作電流為微安級別，這表明PVC gel是一款低功耗驅(qū)動材料，這也為PVC gel驅(qū)動器的控制和應用提供了思路；其位移和力輸出性能與增塑劑含量、凝膠厚度以及陽極金屬網(wǎng)目數(shù)不呈線性關系，當增塑劑含量為DBA-9，凝膠厚度為0.5 mm，陽極金屬網(wǎng)目數(shù)為20目時，PVC gel驅(qū)動器表現(xiàn)出最優(yōu)的驅(qū)動性能，在400 V的直流電壓下，其收縮位移和收縮率分別達到了0.57 mm和31.6%，收縮力和恢復力分別為948 mN和1 125 mN。這一結(jié)果為高性能PVC gel驅(qū)動器的研究和應用提供了參考。