PVC gel材料驱动性能研究

潘 辉，何青松，于 敏，尹国校，田成博，吴雨薇，曾 博

(1.南京航空航天大学 机电学院 江苏省仿生功能材料重点实验室， 南京 210016；2.北京精密机电控制设备研究所 航天伺服驱动与传动技术实验室，北京 100076)

0 引言

驱动技术是机械系统进步的重要标志，也是机电系统的关键技术。随着人类社会的不断发展以及科学技术的不断进步，人类对驱动器的性能需求不断提升。目前的驱动技术多为电机驱动，而电机的刚性驱动需要复杂的电磁线圈以及传动机构，体积笨重，存在振动、冲击、噪声、电磁干扰以及误差积累等缺点[1-3]。柔性驱动器由软质材料构成，可模仿自然界的软体生物，能够根据实际需要主动改变自身形状和尺寸，同时耐冲击性强、环境相容性好、无电磁干扰和误差积累现象[4-5]。相比传统驱动装置，柔性驱动器更灵活、更易应用在复杂环境中，可成为补充和替代传统驱动器的重要技术。因此研究具有类肌肉性能的软体驱动器件对高性能器件、软体机器人的研究和MEMS系统的发展具有重要意义。

聚氯乙烯凝胶(poly vinyl chloride gel，PVC gel)作为一种新型的电子型电活性聚合物(electroactive polymer,EAP)材料，具有质量轻、透明度高、应变应力大、工作频带宽和响应速度快等优点，在高性能机器人、光学透镜、航空航天、生物医疗等领域具有重要的应用前景[6-8]。PVC gel驱动器整体呈三明治结构，以不锈钢金属网作为阳极，置于两片PVC gel薄膜之间，金属铜箔片作为阴极分别贴附在PVC gel薄膜两侧。当施加电压时，PVC gel在静电力(Maxwell力)作用下向阳极金属网孔内蠕动，从而使驱动器在厚度方向上产生收缩变形，其变形机理如图1所示。PVC gel的致动机理比较复杂，目前大多数研究学者认为是在电场作用下，PVC gel内部的增塑剂分子(DBA)从阴极向阳极移动，在阳极附近形成负电荷密度较高的溶剂层(S-R层)，于是在静电力(Maxwell力)的作用下，凝胶会沿着阳极侧发生蠕动变形[9-10]。

图1 PVC gel驱动器工作原理示意图

近几年，研究人员开发了多种基于PVC gel的驱动器[11-13]。Hashimoto的团队在PVC gel驱动器方面做了很多研究工作，他们分别研究了增塑剂含量和阳极金属网目数对PVC gel驱动性能的影响[14-15]，并制备出了叠加20层的PVC gel驱动器，该驱动器在400 V的电场下收缩率为12%[16]。Asaka等[9]研究了厚度对PVC gel的影响，并建立了PVC gel电化学模型。Hwang等[17]通过掺杂氧化石墨烯(GO)制备了PVC/GO gel驱动器，该驱动器相比传统PVC gel驱动器，收缩位移和输出力分别提升了20%和36%，在1 500 V电压下收缩位移和输出力分别达到了0.24 mm和27.65 mN。Ali等[18]基于功能性多壁碳纳米管(FMWCNTs)制备了一种PVC/FMWCNTs驱动器，在1 000 V下，该驱动器的最大收缩率可达34%。上述基础研究虽然在一定程度上提高了PVC gel的输出性能，但其驱动性能的改善还有很大的提升空间，距离商业应用还存在较大差距。

根据已有文献结合PVC gel的工作原理可知，在制备过程中增塑剂含量、凝胶厚度以及阳极网状电极目数对PVC gel的驱动性能影响较大。为了更加全面地提高PVC gel的驱动性能，本文分别研究增塑剂含量、凝胶厚度和阳极金属网目数对PVC gel驱动器的驱动性能影响，并用工作电流、收缩位移和输出力来表征PVC gel驱动器的综合驱动性能，进而为高性能PVC gel驱动器的研究和应用提供参考价值。

1 实验

1.1 实验材料

聚氯乙烯粉末(PVC，CAS 9002-86-2)购买于美国Sigma-Aldrich公司；己二酸二丁酯(DBA，CAS 105997)购买于美国Sigma-Aldrich公司；四氢呋喃(THF，CAS 109999)购买于上海阿拉丁仪器有限公司。

1.2 PVC gel薄膜的制备

PVC gel薄膜作为PVC gel驱动器的动力源，其优异的材料性能对PVC gel驱动器有着至关重要的作用。PVC gel薄膜主要由聚氯乙烯(PVC)和增塑剂己二酸二丁酯(DBA)组成，两者按一定质量比溶解于有机溶剂四氢呋喃(THF)中，经THF挥发后形成无色透明的凝胶薄膜。其具体制备流程如下：

1) 将PVC∶DBA按照质量比为1∶5、1∶7、1∶9和1∶11分别称取材料；

2) 将称取的PVC粉末和DBA分别加入含有THF的锥型瓶中；

3) 密封锥形瓶以防止THF挥发，将锥型瓶放在磁力搅拌机上磁力搅拌24 h(转速1 500 r/min，室温)，使聚氯乙烯颗粒充分溶解，即可得到无色透明的PVC凝胶混合溶液；

4) 将PVC凝胶溶液浇注在玻璃器皿中，放置在通风橱中自然挥发2～3 d后即可得到无色透明、柔软且厚度均匀的PVC gel薄膜。

1.3 PVC gel驱动器制备及实验设计

将制备的PVC gel薄膜剪裁成直径为40 mm的圆形(见图2(a))，以不锈钢金属网作为阳极(见图2(b))，置于两片PVC gel薄膜之间，金属铜箔片作为阴极(见图2(c))分别贴附在PVC gel薄膜两侧，即可实现PVC gel驱动器(见图2(d))的制备。根据PVC gel的工作原理，拟分别研究增塑剂含量、凝胶厚度和阳极金属网目数对PVC gel驱动器的驱动性能影响。

图2 PVC gel驱动器制备

1) 为了研究增塑剂含量对PVC gel驱动性能的影响，分别按PVC和DBA质量比为1∶5、1∶7、1∶9和1∶11，制备了厚度均为0.5 mm的4种不同DBA含量的PVC gel，且阳极金属网目数均采用20目，为了便于分析，将其分别命名为DBA-5、DBA-7、DBA-9和DBA-11；

2) 为了研究PVC gel凝胶厚度对其驱动性能的影响，以DBA-9为基础，分别制备了厚度为0.25、0.5、1.0 mm的3种不同厚度的试样，且阳极金属网目数均采用20目；

3) 为了探究金属网目数对PVC gel驱动性能的影响，以厚度为0.5 mm的DBA-9为基础，分别研究了阳极金属网目数为10、20、30目对PVC gel驱动器性能的影响。实验过程中PVC gel凝胶直径均为40 mm；3种目数的阳极网状电极均采用直径为40 mm，厚度为0.76 mm的不锈钢金属网；阴极统一采用直径为40 mm厚度为0.02 mm的金属铜箔。

1.4 测试与表征

为了更加全面地测试PVC gel驱动器在电信号下的驱动性能，分别在100、200、300、 400 V的直流下测试了PVC gel驱动器工作电流、收缩位移和输出力，测试原理如图3所示。采用耐压测试仪(RK22672CM，美瑞克，中国)输出电压信号并记录PVC gel的工作电流，并利用激光位移传感器(LK-G3000，基恩士，日本)和高精度微型拉压力传感器(HYLY-019，中航电测，中国)分别测量PVC gel驱动器的收缩位移和输出力。PVC gel驱动器的输出力包括收缩力和恢复力，收缩力是指PVC gel驱动器在施加电压时收缩产生的力，恢复力是指PVC gel驱动器在断电后恢复原状所产生的力。

2 结果与讨论

2.1 增塑剂含量的影响

图4为4种不同增塑剂含量(DBA-5、DBA-7、DBA-9和DBA-11)的PVC gel驱动器在直流电压输入下的工作电流、收缩位移和输出力，从图中可以看出，4种不同增塑剂含量的PVC gel驱动器的工作电流、收缩位移、收缩率、收缩力和恢复力都随电压的增加而增大，这也说明了PVC gel是一种适合通过电压来调节和控制其驱动效果的电致动材料。

图4(a)为增塑剂DBA含量对PVC gel驱动器工作电流的影响。可以看到，PVC gel驱动器的工作电流随电压和增塑剂含量的增加而增大，并且电流大小都是在微安级别，这说明PVC gel驱动器具有低功耗的特点。在400 V直流电压下，PVC和DBA质量比为1∶11的PVC gel驱动器的工作电流最大，为439 μA；而PVC和DBA质量比为1∶5的PVC gel驱动器的工作电流最小，为210 μA。引起这种变化趋势的主要原因是：在电场下，PVC gel内部初始电荷随增塑剂分子(DBA)移动到阳极附近，并形成负电荷密度较高的溶剂层，且增塑剂分子(DBA)含量越高，溶剂层的负电荷密度越高，电荷量变化也越大[14,19-20]。因此，由电荷与电流关系可知，PVC gel工作电流随增塑剂含量增加而增大。

图4(b)和图4(c)分别表示增塑剂(DBA)含量对PVC gel驱动器的收缩位移和收缩率的影响，4种增塑剂含量的PVC gel驱动器初始整体厚度均为1.8 mm。从图中可以看出，PVC gel驱动器的收缩位移随电压的升高而增大，即位移性能与电压幅值成正相关。在400 V电压下，当PVC和DBA质量比为1∶5的PVC gel驱动器输出性能表现最差，其收缩位移和收缩率分别为0.295 mm和16.38%；当PVC和DBA质量比为1∶7时，其收缩位移和收缩率分别为0.459 mm和25.5%，相比DBA-5增加了9.12%；当PVC和DBA质量比为1∶9时，其收缩位移和收缩率分别达到了0.57 mm和31.6%，相比DBA-7增加了6.1%；而当PVC和DBA质量比为1∶11时，其收缩位移和收缩率分别为0.409 mm和22.7%，相比DBA-9却下降了8.9%；根据PVC gel致动机理[9]可知，负电荷密度与增塑剂(DBA)含量成正相关[21]，负电荷密度越高，溶剂层(S-R层)与阳极间的静电力越大，凝胶发生蠕动变形也就越大。从DBA-5、DBA-7和DBA-9 3种凝胶的收缩位移可以观察到，凝胶在网格内蠕动变形所产生的收缩位移，随着增塑剂含量的升高而升高，此外，凝胶的蠕动变形并不全都以增塑剂含量为主导，也跟凝胶的弹性模量有关[22]，当增塑剂含量过高时，其弹性模量会下降[14]，凝胶的刚度不足以支撑其在阳极金属网格内产生大的蠕动变形，进而导致位移变化减小。

图4 增塑剂含量对PVC gel驱动器输出性能影响曲线

图4(d)和图4(e)分别表示增塑剂(DBA)含量对PVC gel驱动器的收缩力和恢复力的影响。从图中可以看出，PVC gel驱动器的输出力变化趋势跟其收缩位移呈现出相同的变化趋势，即两者均随电压的增加而增大。在400 V电压下，当增塑剂含量为DBA-9时，PVC gel驱动器的输出力表现最优，其收缩力和恢复力分别达到了948 mN和1 125 mN；而当增塑剂含量为DBA-5时，PVC gel驱动器的输出力表现最差，其收缩力和恢复力仅为313 mN和475 mN。分析其原因，凝胶的输出力跟其弹性模量和输出位移有关[23]，虽然4种凝胶的弹性模量随增塑剂含量升高而减小[14]，但其变化量没有收缩位移变化量大，因此在式(1)中收缩位移占主导因素，故输出力变化趋势与收缩位移的变化趋势一致。结合图4(b)可知，增塑剂含量为DBA-9的PVC gel驱动器收缩位移最大，所以该PVC gel驱动器输出力最大。

F=σ*S=E*ε*S

(1)

其中:F为输出力，σ为应力，E为杨氏模量，ε为PVC gel驱动器应变量，S为横截面积。

综上所述，当增塑剂含量为DBA-9时，PVC gel驱动器的输出性能最优。

2.2 凝胶厚度的影响

图5为3种不同厚度的PVC gel驱动器在直流100、200、300、400 V 电压输入下的工作电流、收缩位移和输出力。从图中可以明显看出，3种不同厚度的PVC gel驱动器的工作电流、收缩位移、收缩率、和输出力均随电压的增加而增大，再次验证了PVC gel驱动器是一款适合电压操控的材料。

图5 凝胶厚度对PVC gel驱动器输出性能影响曲线

图5(a)表示不同凝胶厚度的PVC gel驱动器在电压下的工作电流变化趋势。从图5(a)可以看出，3种凝胶厚度的PVC gel驱动器的工作电流虽然均随电压的增加而增大，但电流依然维持在微安级别。在400 V直流电压下，凝胶厚度为0.25 mm的PVC gel驱动器的工作电流最大为720 μA；当凝胶厚度增加至0.5 mm时，PVC gel驱动器的工作电流大小有所减小，为356 μA；当凝胶厚度继续增加至1.0 mm时，PVC gel驱动器工作电流最小，为262 μA。通过比较厚度可以看出，PVC gel的工作电流大小随凝胶厚度的增加而减小。这是因为PVC gel的等效电路可以用并联的电阻和电容表示[9]，电阻与凝胶的厚度成正相关，因此电流随着PVC gel厚度的增加而减小。

图5(b)和图5(c)分别表示凝胶厚度对PVC gel驱动器的收缩位移和收缩率的影响。凝胶厚度为0.25 mm的PVC gel驱动器初始整体厚度为1.3 mm，在400 V电压下，其收缩位移和收缩率分别为0.365 mm和28%；当凝胶厚度增加至0.5 mm时，PVC gel驱动器初始整体厚度为1.8 mm，在400 V电压下，其收缩位移和收缩率分别为0.57 mm和31.6%，比厚度为0.25 mm的PVC gel提升了3.6%；当凝胶厚度进一步增加至1.0 mm时，PVC gel驱动器初始整体厚度为2.8 mm，在400 V电压下，其收缩位移和收缩率分别为0.392 mm和14%，相比厚度为0.5 mm的PVC gel降低了17.6%。引起这种现象的主要原因是PVC gel阻抗与其厚度成正相关[9]，因此厚度为1.0 mm的凝胶阻抗较大，在100～400 V的电压输入下难以激励其内部的增塑剂完全移动到阳极，虽然有位移变化，但其收缩率比较低；厚度为0.25 mm的凝胶虽然阻抗较低，收缩率较高，但驱动器整体厚度较薄,仅为1.3 mm，因此整体收缩位移并不明显；而厚度为0.5 mm的凝胶具有相对较小的阻抗，且驱动器整体厚度较为适中，在此电压下足以刺激凝胶内部的增塑剂移动到阳极，因此其整体收缩位移和收缩率都较高。

图5(d)和(e)分别为3种不同厚度的PVC gel驱动器在不同电压下的收缩力和恢复力。可以看出3种不同厚度的PVC gel驱动器的收缩力和恢复力都随电压的增加而增大。在400 V电压下，凝胶厚度为0.5 mm的PVC gel驱动器输出力性能最优异，其收缩力和恢复力分别达到了948 mN和1 125 mN；凝胶厚度为1.0 mm的PVC gel驱动器输出力次之，其收缩力和恢复力分别为603 mN和957 mN。而当凝胶厚度为0.25 mm时，PVC gel驱动器的输出力表现最差，其收缩力和恢复力仅为515 mN和811 mN。引起这种现象的原因主要是：PVC gel驱动器的输出力与其收缩位移和弹性模量成正相关(如式(1)所示)，结合图5(b)可以看出，凝胶厚度为0.5 mm的PVC gel驱动器的收缩位移最大；凝胶厚度为1.0 mm的PVC gel驱动器收缩位移次之；而凝胶厚度为0.25 mm的PVC gel驱动器收缩位移最小，且其弹性模量也最小[23]，因此凝胶厚度为0.25 mm的PVC gel驱动器输出力最小。

2.3 阳极金属网目数的影响

为了进一步研究阳极金属网目数对PVC gel驱动性能的影响，本文在增塑剂含量为DBA-9，凝胶厚度为0.5 mm的基础上，研究了10、20、30目的阳极金属网对PVC gel驱动器的工作电流、收缩位移以及输出力的影响，实验结果如图6所示。

图6 阳极金属网目数对PVC gel驱动器输出性能影响曲线

图6(a)为3种不同金属网目数的PVC gel驱动器在电压下的电流变化，可以看出，PVC gel驱动器的工作电流随金属网目数和电压的增加而增大。例如在400 V电压下，阳极金属网为10目的PVC gel驱动器的输出电流最小，为312 μA；当阳极金属网目数增加至20目时，PVC gel驱动器的工作电流大小为356 μA；当目数进一步增加至30目时，PVC gel驱动器的工作电流最大，为611 μA。引起这种变化的主要原因是：随着阳极金属网目数的增加，凝胶和金属网的接触面积也增大；由文献[9]可知，当阳极金属网与凝胶的接触面积增大时，PVC gel驱动器的阻抗会减小，因此PVC gel驱动器的电流随着阳极金属网目数的增加而增大。

图6(b)和(c)分别为3种不同目数PVC gel驱动器的收缩位移和收缩率，3种不同目数的PVC gel驱动器初始整体厚度均为1.8 mm。从图中可以看出，3种阳极金属网目数的PVC gel驱动器的收缩位移和收缩率都随电压的增加而增大。在400 V电压下，当阳极金属网为10目时，PVC gel驱动器的收缩位移仅为0.44 mm，其收缩率为24.4%；当阳极金属网目数增加至20目时，PVC gel驱动器的收缩位移和收缩率分别为0.57 mm和31.6%，相比10目增加了7.2%；当目数进一步增加至30目时，PVC gel驱动器的收缩位移和收缩率分别为0.513 mm和28.5%，相比20目却下降了3.1%；引起这种差异的主要原因是10目的金属网网格太稀疏，与凝胶接触面积较小，对凝胶电刺激响应不够；而当金属网目数为30目时，虽然网孔较为致密，但网孔体积较小，难以为凝胶蠕动变形提供足够的空间，这一现象在文献[15]中已有描述；而20目的阳极金属网，在网孔面积合适的情况下，能为凝胶提供足够的空间，从而使凝胶产生一个较大的蠕动位移。

图6(d)和(e)分别为3种不同阳极金属网目数的PVC gel驱动器在不同输入电压下的收缩力和恢复力。从图中可以看出，PVC gel驱动器在金属网目数方面的力输出变化趋势跟其位移输出变化趋势相似，即3种不同目数的PVC gel驱动器的收缩力和恢复力都随电压的增加而增大。在400 V电压下，当阳极金属网为20目，PVC gel驱动器的输出力性能最优，其收缩力和恢复力分别达到了948 mN和1 125 mN；而当阳极金属网为10目时，PVC gel驱动器的收缩力和恢复力仅为450 mN和561 mN。引起这种变化的主要原因是：虽然阳极金属网目数不同，但PVC gel增塑剂含量都是DBA-9，其弹性模量也相同，由式(1)可知，PVC gel驱动器的输出力跟其收缩位移成正相关，因此当阳极金属网为20目时，PVC gel驱动器力输出性能最优异。

3 结论

PVC gel作为一种新型的柔性驱动材料，在软体机器人、MEMES系统、医疗康复设备等高性能机电系统方面具有重要的应用前景。为了进一步提升PVC gel驱动器的驱动性能，分别从增塑剂含量、凝胶厚度和阳极金属网目数3个方面对PVC gel驱动器的驱动性能进行了研究，并用工作电流、收缩位移和输出力来表征PVC gel驱动器的综合驱动性能，结果表明，PVC gel驱动器的工作电流、收缩位移和输出力均随电压的增加而增大。此外，PVC gel的工作电流随增塑剂含量和阳极金属网目数的增加而增大，随凝胶厚度的增加而减小，并且其工作电流为微安级别，这表明PVC gel是一款低功耗驱动材料，这也为PVC gel驱动器的控制和应用提供了思路；其位移和力输出性能与增塑剂含量、凝胶厚度以及阳极金属网目数不呈线性关系，当增塑剂含量为DBA-9，凝胶厚度为0.5 mm，阳极金属网目数为20目时，PVC gel驱动器表现出最优的驱动性能，在400 V的直流电压下，其收缩位移和收缩率分别达到了0.57 mm和31.6%，收缩力和恢复力分别为948 mN和1 125 mN。这一结果为高性能PVC gel驱动器的研究和应用提供了参考。