3D直写打印软执行器、其制备方法、墨水组合物及应用

本发明涉及增材制造，尤其涉及一种3d直写打印软执行器、其制备方法、墨水组合物及应用。

背景技术：

1、离子电活性聚合物(ieap，下同)是一种能够将电能转换为机械能的智能软材料，具有良好的柔韧性和低压驱动，快速响应、大弯曲位移等特性，因此离子电活性聚合物作为软执行器在软体机器人领域有着良好的应用前景。

2、离子电活性聚合物执行器通常由中间的电解质层和两侧的电极层组成，内部含有离子液体，在低压电场作用下阳离子向电极负极一侧移动，造成内部两侧受到的挤压力不一致而发生膨胀弯曲从而产生致动效果，如图1所示。

3、目前，受限于执行器多层结构的制造，采用模具熔融浇铸等传统方法制造的离子电活性聚合物执行器通常为规则的片状或条状，限制了软执行器的功能和使用场景，为了实现软体执行器更复杂的形状和功能，3d打印技术被用于离子电活性聚合物软执行器的制造。

4、目前，现有的关于离子电活性聚合物执行器的3d打印制造案例中，尚未出现关于全3d打印离子电活性聚合物执行器制造方法及工艺的报道，仅限于离子电活性聚合物电解质层或电极层单个聚合物层级的打印，再使用其他传统制造工艺辅助完成电解质或电极层，未能实现离子电活性聚合物执行器的整体3d打印，这仍旧限制了离子电活性聚合物执行器复杂结构及功能的实现，其难点在于能够实现其功能性的ieap双组分可打印墨水的开发及双组分结合打印工艺。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种3d直写打印软执行器、其制备方法、墨水组合物及应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种用于一体3d直写打印软执行器的墨水组合物，其特征在于，包括电解质墨水和电极墨水；

4、所述电解质墨水包括第一溶剂、第一基体聚合物以及第一离子液体；

5、所述电极墨水包括第二溶剂、第二基体聚合物、第二离子液体以及导电材料；

6、其中，所述第一溶剂与第二溶剂、第一基体聚合物与第二基体聚合物以及第一离子液体与第二离子液体均保持一致。

7、第二方面，本发明还提供一种3d直写打印软执行器的制备方法，其包括：

8、提供上述墨水组合物；

9、利用所述墨水组合物执行3d直写打印，以所述电解质墨水打印形成电解质层，以所述电极墨水打印形成第一电极层和第二电极层，获得执行器前体，且所述电解质层设置于所述第一电极层和第二电极层之间，并与所述第一电极层和第二电极层直接接触；

10、对所述执行器前体进行固化处理，获得3d直写打印软执行器。

11、第三方面，本发明还提供上述制备方法制得的3d直写打印软执行器，其包括层叠设置的第一电极层、电解质层以及第二电极层；所述第一电极层、电解质层以及第二电极层均具有由基体聚合物形成的多孔网络骨架以及复合在其中的离子液体，所述第一电极层和第二电极层中还复合有导电材料；所述第一电极层、第二电极层与所述电解质层的界面处的多孔网络骨架相互咬合。

12、第四方面，本发明还提供了上述3d直写打印软执行器在制造软体机器人领域中的应用。

13、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

14、本发明所提供的墨水组合物及制备方法能够实现离子电活性聚合物执行器的快速高效制造，相较于传统化学镀制电极或物理压制成型等技术，本发明提供的方法能够缩短制造流程和时长，同时在制造过程中没有化学或物理过程对核心聚合物的损坏，提高了良品率且保证了功能的稳定性。

15、本发明能够定制离子电活性聚合物执行器的形状实现复杂功能，传统化学镀或热压等成型方式中执行器大多为形状单一的片状，在化学或物理的制备过程中，其复杂形状的执行器容易产生变形或遭到破坏，难以获得具有高质量的复杂结构执行器，限制了ieap执行器的功能与应用，本发明能够自由设计打印成型ieap执行器，拓展了其功能性和实用性。

16、本发明所得到的离子电活性聚合物执行器具有优异的力学性能，其具有较厚的电极层，故而整体结构有较高的模量，且层与层之间结合紧密，具有优异的界面结合特性，在承受较大应力时不易开裂失效，故较传统方法制造的ieap执行器而言能够输出更大的应力，在应用案例中最大可抓取自重30倍的物体，这是传统ieap执行器所难以达到的。

17、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种用于一体3d直写打印软执行器的墨水组合物，其特征在于，包括电解质墨水和电极墨水；

2.根据权利要求1所述的墨水组合物，其特征在于，所述第一溶剂和/或第二溶剂包括n-n-二甲基乙酰胺、n-n-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种的组合；

3.根据权利要求1所述的墨水组合物，其特征在于，所述电解质墨水中，所述第一离子液体与所述第一基体聚合物的质量比为0.2～0.5∶1；

4.一种3d直写打印软执行器的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述电解质层的打印条件包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电解质层包含层叠设置的多个亚层；

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，具体包括：

8.权利要求4-7中任意一项所述的制备方法制得的3d直写打印软执行器，其特征在于，包括层叠设置的第一电极层、电解质层以及第二电极层；

9.根据权利要求8所述的3d直写打印软执行器，其特征在于，所述3d直写打印软执行器的厚度为0.4-1.6mm；

10.权利要求8-9中任意一项所述的3d直写打印软执行器在制造软体机器人领域中的应用。

技术总结本发明公开了一种3D直写打印软执行器、其制备方法、墨水组合物及应用。所述墨水组合物包括电解质墨水和电极墨水；电解质墨水包括第一溶剂、基体聚合物以及离子液体；电极墨水包括第二溶剂、基体聚合物、离子液体以及导电材料；制备方法包括：利用墨水组合物执行3D直写打印，对获得的执行器前体进行固化处理，获得3D直写打印软执行器。本发明能够实现离子电活性聚合物执行器的快速高效制造，缩短制造流程和时长，提高了良品率且保证了功能的稳定性；能够定制离子电活性聚合物执行器的形状实现复杂功能；且具有优异的力学性能，在承受较大应力时不易开裂失效，能够输出更大的应力。技术研发人员：吕博锦,程昱川,王兵,景慧澜,龙菲,郑洪茹,樊勋业,张鹤文,杨青杰,郭建军,孙爱华,许高杰受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18