sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜及其制備方法和應用與流程
本發明屬于離子聚合物-金屬復合材料制備技術領域，具體涉及sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜及其制備方法和應用。
背景技術：
離子聚合物-金屬復合材料(IPMC)是一種兼具傳感和致動功能的新型智能材料。IPMC材料具有質量輕、柔韌性好、響應速率快和生物相容性良好等優點，在較低電壓下(一般低于3V)就能產生較大的彎曲形變，能夠用于制作微、小型致動器，在仿生工程、醫療器械和航空航天等領域具有廣泛的應用潛力。
IPMC材料主要是由上下兩層貴金屬電極層(如Pd)和芯層電解質膜(如Nafion膜)組成一種三明治結構復合材料。大量研究發現，IPMC材料的芯層電解質膜的性能(如離子交換當量，質子電導率，彈性模量和含水量)對其電化學性能和機電性能具有至關重要的影響作用，因此，有些研究人員已經在改進IPMC材料的芯層基底膜特性方面做了大量工作。如美國Kim等人最早采用聚合物溶液澆鑄法獲得不同厚度的Nafion膜來制備不同厚度的IPMC，為IPMC基底薄膜的改性提供了方法，研究發現，隨著厚度的增加發現IPMC的輸出力獲得大幅增加，但輸出位移有所減小(Kim K J,Shahinpoor M.A novel method manufacturing three-dimensional ionic polymer-metal composites(IPMC)biomimetic sensors,actuators and artificial muscles.Polymer,2002,43:797-802)，Nguyen發展了采用連續澆鑄法制備了多層Nafion膜，每層均由納米顆粒增強，兩側的兩層為蒙脫石、銀納米粉增強的Nafion膜，中間層為二氧化硅增強的Nafion膜，很好地提高了IPMC的機電性能(Nguyen V K,Yoo Y T.A novel design and fabrication of multilayered ionic polymer-metal composite actuators based on Nafion/layered silicate and Nafion/silica nanocomposites.Sensors and Actuators B,2007,123:183-190)，Lee等也通過連續澆鑄法制備了三層Nafion膜，每層通過功能化的納米材料增強，兩側的兩層為聚吡咯/氧化鋁增強的Nafion膜，中間層為樟腦磺酸復合的Nafion膜，得到了性能優異的IPMC驅動器(Lee J W,Yoo Y T,Lee J Y.Ionic polymer-metal composite actuators based on triple-layered polyelectrolytes composed of individually functionalized layers.ACS Applied Materials&Interface,2014,6(2):1266-1271)，熊克等把納米碳酸鋇添加到Nafion芯層中，很好地改善了IPMC的介電特性和機電性能(Kan Bian,et al.Enhanced Actuation Response of Nafion-Based Ionic Polymer Metal Composites by Doping BaTiO3Nanoparticles J.Phys.Chem.C 2016,120,12377-12384.
雖然上述研究都很好地改善了IPMC材料的機電特性，但是當前的IPMC材料依然存在于空氣中工作不穩定，出現松弛現象，使其難以滿足實際工程應用要求，另外，目前IPMC高昂的制備成本也在異地能高程度上限制了其應用推廣。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺陷，提供一種sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜及其制備方法和應用，該方法可以制備出在空氣中工作穩定的IPMC材料。
本發明材料通過以下技術方案來實現：
在該復合電解質膜中，按質量百分數計，sMWCNT占0.5～1.0％，PEG占4.5～19.5％，Nafion占80～95％。
本發明制備方法通過以下技術方案來實現：包括以下步驟：
(1)以sMWCNT、PEG和Nafion分散液為原料，加入到溶劑中得到鑄膜液；其中，按質量百分數計，sMWCNT占0.5～1.0％，PEG占4.5～19.5％，Nafion占80～95％；
(2)采用溶液澆鑄法制備sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜。
進一步地，步驟(1)中Nafion分散液的質量分數為5％；PEG的平均分子量為10萬或20萬。
進一步地，步驟(1)中溶劑為DMF、EG或DMSO；溶劑的添加量為磺化碳納米管、PEG和Nafion分散液總質量的15～25％。
進一步地，步驟(2)中溶液澆鑄法是將鑄膜液加入到澆注槽中，攪拌4～6小時后依次進行干燥和烘烤，得到sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜。
進一步地，干燥是分段干燥，先在70～90℃加熱20～24小時，然后在100～110℃加熱2～2.5小時，最后在120～130℃加熱2～2.5小時；烘烤是在140～150℃下烘烤30～60分鐘。
如上所述的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜在制備離子型電驅動器中的應用，包括以下步驟：
(1)對sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜進行表面糙化處理；
(2)將表面糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜依次經還原鍍處理、化學鍍處理和后處理，制得離子型電驅動器。
進一步地，步驟(1)中是利用噴砂機在0.1～0.3Mpa壓力下對sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜進行表面糙化處理50～70s；表面糙化處理后依次經過超聲波清洗、鹽酸溶液煮洗和去離子水煮洗，再進行還原鍍。
進一步地，步驟(2)中后處理是在0.25～1mol/L的HCl或H2SO4中浸泡4～6小時，再用0.25～0.5mol/L的LiOH溶液或NaOH溶液浸泡12～24小時，形成Li+型電驅動器或Na+型電驅動器。
進一步地，步驟(2)中的還原鍍具體包括以下步驟：
(a1)按每平方厘米sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜上沉積2～2.1mg鈀單質計，采用Pd(NH3)4Cl2溶液和氨水混合配置鈀鹽溶液A；將表面糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜浸入鈀鹽溶液A中并靜置6～12h，進行Pd(NH3)42+離子吸附；
(a2)將離子吸附后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜水洗后放入還原鍍液中，并加入過量的NaBH4溶液進行第一次離子還原鍍，將Pd(NH3)42+還原成單質Pd，然后將第一次還原鍍后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜進行酸液浸泡；
(a3)重復步驟(a1)和步驟(a2)若干次，完成還原鍍；
步驟(2)中的化學鍍具體包括以下步驟：
(b1)按每平方厘米sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜上沉積1.2～1.3mg鈀單質計，配制鈀鹽溶液B，再加入氨水、EDTA和PVP，并加熱到40℃，得到化學鍍液；
(b2)將還原鍍得到的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜浸入化學鍍液；在回旋振蕩下，將溫度逐步升高并同時加入N2H4溶液，直至溫度升至58℃完成第一次化學鍍，將第一次化學鍍后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜進行酸浸；
(b3)重復步驟(b2)若干次，完成化學鍍。
與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
本發明膜材料中采用0.5～1.0％的sMWCNT，利于提高復合電解質膜的離子交換當量和質子電導率，采用4.5～19.5％的PEG進行高含量替代改性，能夠提高其工作穩定性；測試表明，本發明復合電解質膜表現出了比純Nafion膜以及10％PEO/Nafion復合電解質膜更加優越的工作穩定性、機電性能和電化學特性。
本發明公開的基于sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜的IPMC材料的制備方法，首先通過采用sMWCNT，是對MWCNT表面接枝了大量強親水性和強離子交換能力的磺酸基團得到的，提高其在Nafion溶液及Nafion基質中的分散性，從而提高復合電解質膜的離子交換當量和質子電導率；再利用高親水能力的PEG對復合電解質膜進行高含量替代改性，以提高復合電解質膜的含水量和對應IPMC材料在空氣中的工作穩定性，有效地克服了傳統IPMC在空氣中工作時產生的松弛現象。本發明制備方法簡單，可以有效地提高復合電解質膜的離子交換當量、質子電導率和含水量，從而利于獲得性能穩定，機電性能和電化學性能優異的IPMC驅動器，同時能夠降低IPMC的制備成本。
進一步地，本發明通過采用高沸點的DMF、EG或DMSO作為溶劑，用于提高鑄膜的力學性能。
進一步地，本發明通過在還原鍍中使復合電解質膜吸附[Pd(NH3)4]2+，經強還原劑NaBH4還原初步形成Pd滲入電極；同時利用Pd單質的自催化作用，經化學鍍形成一定厚度的表面電極層，增強表面電極的導電能力。
本發明能夠應用在制備Li+型或者Na+型IPMC驅動器領域中，復合電解質膜經還原鍍和化學鍍處理形成一定厚度的表面電極層，增強表面電極的導電能力，能夠高效地制備出性能穩定、驅動能力優異、成本低廉的sMWCNT/PEG/Nafion-IPMC驅動器，有效消除松弛現象，提高了非水環境中的工作穩定性，同時位移輸出能力和簡諧響應也得到了很大程度地提高，位移輸出能力可以高達Nafion-IPMC的2.4倍，簡諧響應位移峰峰值可達Nafion-IPMC的2倍。
【附圖說明】
圖1顯示了各種復合電解質膜的含水量(WUR)和離子交換當量(IEC)隨PEO含量和sMWCNT含量變化的關系，圖2和圖3分別顯示了各種IPMC驅動器在2V 0.02Hz階躍電壓驅動下和2V 0.1Hz交流電壓驅動下的位移響應曲線。
【具體實施方式】
下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
本發明公開的一種新型sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜及以此為基底膜，在空氣中能夠穩定工作的IPMC材料的制備方法及應用。
實施例1
(1)制備磺化多壁碳納米管sMWCNT：以多壁碳納米管和對氨基苯磺酸鈉及亞硝酸為原料，將MWCNT超聲分散于水中，制備出1g/L的MWCNT分散液；同時制備對氨基苯磺酸重氮鹽，在酸性溶液中，0～5℃的冰水浴和快速攪拌條件下經偶聯反應制備sMWCNT，賦予碳納米管一定的離子交換能力和親水能力，使其良好地分散于Nafion溶液及基底膜中；
首先，將0.6g的MWCNT(多壁碳納米管)超聲處理2小時分散于600mL去離子水中，得到MWCNT分散液。然后，將5g對氨基苯磺酸在95℃水浴加熱條件下溶解于50mL質量分數為2％的氫氧化鈉溶液，冷卻至室溫后，加入2g亞硝酸鈉，溶解后再加入100mL冰水和10mL濃度為11mol/L的濃鹽酸，冰浴條件下攪拌30分鐘，配置成對氨基苯磺酸重氮鹽溶液。最后，將重氮鹽溶液逐滴加入MWCNT分散液中，MWCNT和對氨基苯磺酸重氮鹽的質量比為1:4，0～5℃的冰浴條件下，以1600轉/min高速攪拌反應6小時。反應結束后，將反應混合物經減壓抽濾后得到的濾餅在冷凍干燥機進行冷凍干燥，得到純凈產物sMWCNT。
反應條件為強酸性溶液，用冰水浴控制反應溫度，整個反應過程中溫度嚴格控制在0～5℃。干燥產物sMWCNT使用冷凍干燥法可以避免產物結塊或團聚。
(2)制備基于sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜：以Nafion全氟磺酸樹脂分散液、聚氧化乙烯(PEG，平均分子量為10萬)和sMWCNT作為制備基體膜的原料，按特定比例，采用溶液澆鑄法制備sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜；
首先，將10mg磺化碳納米管、99mg PEG和17.82g質量分數為5％的Nafion分散液以及溶劑加入到45mm×65mm的玻璃澆注槽中；溶劑的添加量為磺化碳納米管、PEG和Nafion分散液總質量的20％，溶劑為高沸點的DMF，用于提高鑄膜的力學性能；然后，室溫下攪拌4小時，最后，將澆注槽置于真空干燥箱中，依次在80℃加熱24小時、100℃加熱2小時和120℃下加熱2.5小時；最后，再于150℃下烘烤30分鐘，制備出sMWCNT含量為1.0％，PEG含量為9.9％，Nafion含量為89.1％(其中PEG與Nafion的質量比近似為1:9)，厚度為220±5μm的sMWCNT/PEG/Nafion三元復合電解質基底膜。
利用相同的方法分別制備純Nafion基底膜和PEG/Nafion復合電解質基底膜，PEG/Nafion復合電解質基底膜中PEG和Nafion的質量分數分別為10％和90％。
澆筑過程中，sMWCNT/PEG/Nafion復合基底膜的厚度和表面積可控，其尺寸為45mm×60mm×220μm。
(3)sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜表面糙化處理：對sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜進行定點表面糙化，接著進行超聲清洗，再用1mol/L的HCl溶液煮洗使之酸化，最后利用去離子水煮洗除去膜內殘留的HCl分子；
利用噴砂機在0.2Mpa壓力下對40mm×60mm大小的基底膜進行表面糙化處理60s，并剪切成30mm×50mm尺寸，之后用超聲波清洗機清洗，除去噴砂處理是殘留的沙粒；再用1mol/L的鹽酸溶液煮洗1小時使之酸化，形成H+型膜，以便后續進行鈀鹽離子吸附；最后利用去離子水煮洗1小時除去膜內殘留的HCl。
(4)sMWCNT/PEG/Nafion-IPMC材料的電極制備：將表面糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜先后經還原鍍和化學鍍兩個步驟處理，制備sMWCNT/PEG/Nafion離子聚合物-金屬復合材料，簡稱IPMC驅動器材料。
具體流程包括以下步驟：
還原鍍：
(1)用Pd(NH3)4Cl2作為金屬鈀的前驅體，配置鈀鹽溶液A，鈀鹽溶液A是向0.01mol/L的Pd(NH3)4Cl2溶液中添加質量分數為25％的氨水混合制成，其中，Pd(NH3)4Cl2和質量分數為25％的氨水的比為1g：50mL；Pd(NH3)4Cl2溶液的體積是按每平方厘米基底膜表面沉積2.05mg鈀單質確定的。
(2)將糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion基底膜用去離子水沖洗數次后浸泡入上述制備的鈀鹽溶液A中，室溫下靜置6小時，以充分進行Pd(NH3)42+吸附；
(3)用75mL去離子水和25％的氨水配置成4ml/L的還原鍍液；將離子吸附后的sMWCNT/PEG/Nafion基底膜放入該還原鍍液中，再把燒杯置于回旋振蕩器中，依次在30℃，40℃和50℃下各反應30分鐘，且每次升溫時均加入質量分數為5％的NaBH4溶液進行Pd(NH3)42+離子還原，將Pd(NH3)4Cl2還原成單質Pd，其中NaBH4的添加量為Pd(NH3)4Cl2摩爾量10倍；約用90分鐘完成第一次還原鍍，此后將一次還原鍍得到的雛形IPMC用0.5mol/L的鹽酸浸泡30分鐘，一方面反應掉雛形IPMC殘留的還原劑，另一方面使雛形IPMC酸化，以便后續進行鈀鹽離子吸附；還原時所用NH3溶液的體積要保證NaBH4在第一次加入時濃度為1g/L；
(4)重復步驟(2)的離子吸附和步驟(3)的離子還原兩次。
化學鍍：
步驟1：用Pd(NH3)4Cl2為單質鈀的前驅體，依照每平方厘米基體膜表面沉積1.25mg單質鈀的原理配制2.5×10-3mol/L的鈀鹽溶液B，再分別加入質量分數25％的氨水、EDTA和PVP固體，加熱到40℃，制得化學鍍溶液；在化學鍍溶液中，NH3含量為140ml/L，EDTA和PVP均為4g/L。
步驟2：將還原鍍得到的IPMC置入40℃的化學鍍溶液中，置于回旋振蕩器中，在回旋振蕩下單次加入物質的量為Pd(NH3)4Cl2物質的量1.8倍的1％的N2H4溶液；每30分鐘將溫度升高3℃，同時加入等體積的N2H4溶液，直至溫度升至58℃完成第一次化學鍍；再把IPMC置入0.5mol/L的HCl中浸泡0.5～1小時；
步驟3：重復步驟2的化學鍍處理2次。
(5)驅動器后處理：本發明還可以采用制得的sMWCNT/PEG/Nafion復合基底膜制備Li+型IPMC驅動器。
將步驟(4)中制備的IPMC材料在0.5mol/L的HCl中浸泡5小時，之后用100mL濃度為0.5mol/L的LiOH溶液浸泡15小時，以形成Li+型IPMC驅動器，最后根據實際應用剪切成相應的形狀和尺寸，比如將其剪切成35mm×5mm的樣條進行性能測試。
(6)性能測試
實驗中對IPMC驅動器樣片進行了直流電壓驅動下的機電性能測試(測點距離為15mm)。
圖1顯示了各種復合電解質基底膜的含水量(WUR)和離子交換當量(IEC)隨PEO的含量和sMWCNT的含量變化關系，可以看出1％sMWCNT/9.9％PEO/Nafion復合電解質膜的含水量和離子交換當量與純Nafion膜相比均得到了顯著提高，這些將會得到性能優異的IPMC驅動器。圖2和圖3分別顯示了各種IPMC驅動器在2V 0.02Hz階躍電壓驅動下和2V 0.1Hz交流電壓驅動下的位移響應曲線。從圖2可以看出，傳統Nafion-IPMC在空氣中工作時出現了嚴重的松弛現象，使得其難以滿足實際應用要求；隨著10％PEO的加入，改性IPMC的工作穩定性得到了改善，消除了松弛現象；尤其是1％sMWCNT/9.9％PEO/Nafion-IPMC不僅性能穩定，沒有松弛現象，同時位移輸出能力得到了很大程度地提高，其輸出位移達到了8.1mm，提高到了Nafion-IPMC的2.4倍。從圖3可以看出，1％sMWCNT/9.9％PEO/Nafion-IPMC的簡諧響應也是最佳的，其位移峰峰值達到了Nafion-IPMC的2倍。
實施例2
(1)MWCNT和對氨基苯磺酸重氮鹽的質量比為1:8，其它條件實施例1的步驟制備磺化多壁碳納米管sMWCNT。
(2)制備基于sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜：以Nafion全氟磺酸樹脂分散液、聚氧化乙烯(PEG，平均分子量為20萬)和sMWCNT作為制備基體膜的原料，按特定比例，采用溶液澆鑄法制備sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜；
首先，將5mg磺化碳納米管、195mg PEG和16g質量分數為5％的Nafion分散液以及溶劑加入到45mm×65mm的玻璃澆注槽中；溶劑的添加量為磺化碳納米管、PEG和Nafion分散液總質量的15％，溶劑為高沸點的EG，用于提高鑄膜的力學性能；然后，室溫下攪拌5小時，最后，將澆注槽置于真空干燥箱中，依次在70℃加熱22小時、105℃加熱2.2小時和125℃下加熱2小時；最后，再于145℃下烘烤45分鐘，制備出sMWCNT含量為0.5％，PEG含量為19.5％，Nafion含量為80％，厚度為220±5μm的sMWCNT/PEG/Nafion三元復合電解質基底膜。
(3)sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜表面糙化處理：對sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜進行定點表面糙化，接著進行超聲清洗，再用1mol/L的HCl溶液煮洗使之酸化，最后利用去離子水煮洗除去膜內殘留的HCl分子；
利用噴砂機在0.1Mpa壓力下對40mm×60mm大小的基底膜進行表面糙化處理70s，并剪切成30mm×50mm尺寸，之后用超聲波清洗機清洗，除去噴砂處理是殘留的沙粒；再用1mol/L的鹽酸溶液煮洗1小時使之酸化，形成H+型膜，以便后續進行鈀鹽離子吸附；最后利用去離子水煮洗1小時除去膜內殘留的HCl。
(4)sMWCNT/PEG/Nafion-IPMC材料的電極制備：將表面糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜先后經還原鍍和化學鍍兩個步驟處理，制備sMWCNT/PEG/Nafion離子聚合物-金屬復合材料，簡稱IPMC驅動器材料。
具體流程包括以下步驟：
還原鍍：
(1)用Pd(NH3)4Cl2作為金屬鈀的前驅體，配置鈀鹽溶液A，鈀鹽溶液A是向0.01mol/L的Pd(NH3)4Cl2溶液中添加質量分數為25％的氨水混合制成，其中，Pd(NH3)4Cl2和質量分數為25％的氨水的比為1g：45mL；Pd(NH3)4Cl2溶液的體積是按每平方厘米基底膜表面沉積2mg鈀單質確定的。
(2)將糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion基底膜用去離子水沖洗數次后浸泡入上述制備的鈀鹽溶液A中，室溫下靜置8小時，以充分進行Pd(NH3)42+吸附；
(3)用75mL去離子水和25％的氨水配置成4ml/L的還原鍍液；將離子吸附后的sMWCNT/PEG/Nafion基底膜放入該還原鍍液中，再把燒杯置于回旋振蕩器中，依次在30℃，40℃和50℃下各反應30分鐘，且每次升溫時均加入質量分數為5％的NaBH4溶液進行Pd(NH3)42+離子還原，將Pd(NH3)4Cl2還原成單質Pd，其中NaBH4的添加量為Pd(NH3)4Cl2摩爾量9.5倍；約用90分鐘完成第一次還原鍍，此后將一次還原鍍得到的雛形IPMC用0.5mol/L的鹽酸浸泡30分鐘，一方面反應掉雛形IPMC殘留的還原劑，另一方面使雛形IPMC酸化，以便后續進行鈀鹽離子吸附；還原時所用NH3溶液的體積要保證NaBH4在第一次加入時濃度為1g/L；
(4)重復步驟(2)的離子吸附和步驟(3)的離子還原兩次。
化學鍍：
步驟1：用Pd(NH3)4Cl2為單質鈀的前驅體，依照每平方厘米基體膜表面沉積1.2mg單質鈀的原理配制2.5×10-3mol/L的鈀鹽溶液B，再分別加入質量分數25％的氨水、EDTA和PVP固體，加熱到40℃，制得化學鍍溶液；在化學鍍溶液中，NH3含量為140ml/L，EDTA和PVP均為4g/L。
步驟2：將還原鍍得到的IPMC置入40℃的化學鍍溶液中，置于回旋振蕩器中，在回旋振蕩下單次加入物質的量為Pd(NH3)4Cl2物質的量1.8倍的1.5％的N2H4溶液；每30分鐘將溫度升高3℃，同時加入等體積的N2H4溶液，直至溫度升至58℃完成第一次化學鍍；再把IPMC置入0.5mol/L的HCl中浸泡0.5～1小時；
步驟3：重復步驟2的化學鍍處理2次。
(5)驅動器后處理：本發明還可以采用制得的sMWCNT/PEG/Nafion復合基底膜制備Li+型IPMC驅動器。
將步驟(4)中制備的IPMC材料在0.25mol/L的H2SO4中浸泡6小時，之后用100mL濃度為0.25mol/L的NaOH溶液浸泡24小時，以形成Na+型IPMC電驅動器，最后根據實際應用剪切成相應的形狀和尺寸。
實施例3
(1)MWCNT和對氨基苯磺酸重氮鹽的質量比為1:6，其它條件實施例1的步驟制備磺化多壁碳納米管sMWCNT。
(2)制備基于sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜：以Nafion全氟磺酸樹脂分散液、聚氧化乙烯(PEG，平均分子量為20萬)和sMWCNT作為制備基體膜的原料，按特定比例，采用溶液澆鑄法制備sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜；
首先，將8mg磺化碳納米管、45mg PEG和18.94g質量分數為5％的Nafion分散液以及溶劑加入到45mm×65mm的玻璃澆注槽中；溶劑的添加量為磺化碳納米管、PEG和Nafion分散液總質量的25％，溶劑為高沸點的DMSO，用于提高鑄膜的力學性能；然后，室溫下攪拌6小時，最后，將澆注槽置于真空干燥箱中，依次在90℃加熱20小時、110℃加熱2.5小時和130℃下加熱2.2小時；最后，再于140℃下烘烤60分鐘，制備出sMWCNT含量為0.8％，PEG含量為4.5％，Nafion含量為94.7％，厚度為220±5μm的sMWCNT/PEG/Nafion三元復合電解質基底膜。
(3)sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜表面糙化處理：對sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜進行定點表面糙化，接著進行超聲清洗，再用1mol/L的HCl溶液煮洗使之酸化，最后利用去離子水煮洗除去膜內殘留的HCl分子；
利用噴砂機在0.3Mpa壓力下對40mm×60mm大小的基底膜進行表面糙化處理50s，并剪切成30mm×50mm尺寸，之后用超聲波清洗機清洗，除去噴砂處理是殘留的沙粒；再用1mol/L的鹽酸溶液煮洗1小時使之酸化，形成H+型膜，以便后續進行鈀鹽離子吸附；最后利用去離子水煮洗1小時除去膜內殘留的HCl。
(4)sMWCNT/PEG/Nafion-IPMC材料的電極制備：將表面糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質基底膜先后經還原鍍和化學鍍兩個步驟處理，制備sMWCNT/PEG/Nafion離子聚合物-金屬復合材料，簡稱IPMC驅動器材料。
具體流程包括以下步驟：
還原鍍：
(1)用Pd(NH3)4Cl2作為金屬鈀的前驅體，配置鈀鹽溶液A，鈀鹽溶液A是向0.01mol/L的Pd(NH3)4Cl2溶液中添加質量分數為25％的氨水混合制成，其中，Pd(NH3)4Cl2和質量分數為25％的氨水的比為1g：60mL；Pd(NH3)4Cl2溶液的體積是按每平方厘米基底膜表面沉積2.1mg鈀單質確定的。
(2)將糙化處理后的sMWCNT/PEG/Nafion基底膜用去離子水沖洗數次后浸泡入上述制備的鈀鹽溶液A中，室溫下靜置12小時，以充分進行Pd(NH3)42+吸附；
(3)用75mL去離子水和25％的氨水配置成4ml/L的還原鍍液；將離子吸附后的sMWCNT/PEG/Nafion基底膜放入該還原鍍液中，再把燒杯置于回旋振蕩器中，依次在30℃，40℃和50℃下各反應30分鐘，且每次升溫時均加入質量分數為5％的NaBH4溶液進行Pd(NH3)42+離子還原，將Pd(NH3)4Cl2還原成單質Pd，其中NaBH4的添加量為Pd(NH3)4Cl2摩爾量10.5倍；約用90分鐘完成第一次還原鍍，此后將一次還原鍍得到的雛形IPMC用0.5mol/L的鹽酸浸泡30分鐘，一方面反應掉雛形IPMC殘留的還原劑，另一方面使雛形IPMC酸化，以便后續進行鈀鹽離子吸附；還原時所用NH3溶液的體積要保證NaBH4在第一次加入時濃度為1g/L；
(4)重復步驟(2)的離子吸附和步驟(3)的離子還原兩次。
化學鍍：
步驟1：用Pd(NH3)4Cl2為單質鈀的前驅體，依照每平方厘米基體膜表面沉積1.3mg單質鈀的原理配制2.5×10-3mol/L的鈀鹽溶液B，再分別加入質量分數25％的氨水、EDTA和PVP固體，加熱到40℃，制得化學鍍溶液；在化學鍍溶液中，NH3含量為140ml/L，EDTA和PVP均為4g/L。
步驟2：將還原鍍得到的IPMC置入40℃的化學鍍溶液中，置于回旋振蕩器中，在回旋振蕩下單次加入物質的量為Pd(NH3)4Cl2物質的量1.8倍的2％的N2H4溶液；每30分鐘將溫度升高3℃，同時加入等體積的N2H4溶液，直至溫度升至58℃完成第一次化學鍍；再把IPMC置入0.5mol/L的HCl中浸泡0.5～1小時；
步驟3：重復步驟2的化學鍍處理2次。
(5)驅動器后處理：本發明還可以采用制得的sMWCNT/PEG/Nafion復合基底膜制備Li+型IPMC驅動器。
將步驟(4)中制備的IPMC材料在1mol/L的H2SO4中浸泡4小時，之后用100mL濃度為0.4mol/L的LiOH溶液浸泡12小時，以形成Li+型IPMC電驅動器，最后根據實際應用剪切成相應的形狀和尺寸。
本發明公開了一種新型sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜及以此為基底膜、在空氣中能夠穩定工作的IPMC材料的制備方法及應用，該方法以磺化多壁碳納米管、聚氧化乙烯和Nafion溶液為原料成功地制備了sMWCNT/PEG/Nafion復合電解質膜，有效地提高了離子交換當量、質子電導率和含水量，進而制得了性能穩定、機電性能和電化學性能優異的IPMC驅動器，同時很大程度上降低了IPMC的制備成本。本發明的優點在于：1)成功地利用PEG對基底膜進行高含量替代改性，有效地克服了傳統IPMC在空氣中工作時產生的松弛現象；2)在MWCNT表面接枝了大量強親水性和強離子交換能力的磺酸基團，很大程度上提高了其在Nafion基質中的分散能力，同時能夠提高基底膜的離子交換當量和質子電導率；3)sMWCNT/PEG/Nafion-IPMC表現出了比傳統IPMC更加優越的工作穩定性、機電性能和電化學特性；4)本發明還能夠在很大程度上降低IPMC的制備成本。實驗證明本發明能夠高效地制備出性能穩定、驅動能力優異、成本低廉的sMWCNT/PEG/Nafion-IPMC驅動器。
綜上所述，本發明方法能夠有效地制備sMWCNT/PEG/Nafion復合基底膜IPMC驅動器，與純Nafion-IPMC相比，有效地增強了位移輸出能力，提高了非水環境中的工作穩定性，消除了松弛現象，效率相對較高，同時很大程度上降低了IPMC的制備成本，因而有著較大的推廣價值。
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