IPMC微泵驱动膜的设计及结构优化

　　0 前言

　　微小流体装置具有流体死区小、相互接触面积大、流量可精确控制等优点，在医药( 如体液检测、药物输送) 、生化( 如微型全分析系统、基因筛选) 和环境监测( 大气、水污染) 等方面显示出了广阔的应用前景[1 - 2]。但目前微流体系统技术尚存在严重制约其商业化、微型化发展的瓶颈- - 缺乏可信赖的微阀( 泵) [3]。国内外多个研究组竞相展开了这方面的研究。韩国的Oh 课题组利用Ni 制作了球型电磁致动阀[4]，在1. 0A 的电流下产生21KPa 的压力，泵液流速达1. 3l /min; 美国的Ahn 等也研制出NiFe集成化电磁致动阀[5]，泵压达4. 1kPa; 德国的Goll等研制了金/聚酰胺静电致动阀[6]，200V 的电压下泵液速度为1. 0ml /min; Hewlett - Packard 实验室Barth 研制了双金属片致动泵[7]，控制压力为200kpa，流速为100μl /min; 美国的Freund 等研究了电流变致动装置[8]，它可以产生200 Mpa 的泵压，流速在0. 5 ～ 1. 0 ml /min 之间; 比利时的Reynaerts 研制了Ni /Ti 形状记忆合金制备的微阀[9]，其最大位移可达200μm。国内研制的较多是压电致动泵，耿照新等人设计出用压电材料作为泵膜的集成微泵[10]，当工作电压为100v，频率为35Hz 时，流速达到了420μl /min; 王蔚等人研制了压电式双向无阀微泵。当工作电压为110 V、频率为40 Hz 时，微泵的正向最大泵压为120 mmHg，最大流量达56μl /min [11]。IPMC 是一种新型离子型电致动智能材料，由阳离子交换膜和惰性金属纳米电极组成。因其致动性能类似人工肌肉，又称人工肌肉材料[12]。考虑到离子聚合物金属复合材料( IPMC) 具有良好的电致动性能，课题组拟用该材料制备微型水泵。用于EAP 的离子交换聚合物主要有全氟磺酸( Nafion) 、全氟碳酸( Flemion) 。它们的结构特征在于主链是聚四氟乙烯结构，具有憎水的功能; 侧链是酸根，具有亲水的功能。H + 离子可以同其它的阳离子如Li +、Na + 离子等发生离子交换。

　　由于同时含有强的亲水和憎水基团，结晶成膜之后，在离子交换膜内部就形成了无数个液体分子如水分子运动的微管道。电场下，阳离子携带一定的溶剂分子通过微管道向阴极移动，从而引起阳极的收缩和阴极的膨胀，引发材料发生弯曲变形，对外界表现出一定的力和位移输出[13]。但是，由于IPMC 内部的水分子很容易通过其表面的金属镀层的间隙蒸发和水分子在电场下容易电解而失去，从而停止工作。若将IPMC做成驱动水的微驱动膜，泵体里的水溶剂可以随时补给IPMC 内部散失的水，从而维持其正常工作。2001 年，美国Soltanpour 和Shahinpoor 对此申请专利，提出利用IPMC( 离子聚合物人工肌肉) 作为驱动源来制作微泵阀门的可能性[14]。