一种基于离子型电致动聚合物的LED灯控制电路的制作方法

本发明涉及智能材料应用领域，具体涉及一种基于离子型电致动聚合物的LED灯控制电路。

背景技术：

离子型电致动聚合物通过聚合物中的离子移动来驱动执行器，往往需要相对较低的电压和较大的电流，需要持续供能来维持形状，具有质量轻、驱动电压低、位移大、无噪声、驱动能量密度高等优点，在微驱动、传感器和医用高分子材料等方面有广泛的应用前景。典型的例子有导电聚合物、离子聚合物-金属复合材料和响应性凝胶。(1Shahinpoor M,Kim K J.Ionic polymer–metal composites:IV.Industrial and medical applications.Smart Materials and Structures,2005,14(1):197-214.2Lu L,Chen W.Biocompatible composite actuator:a supramolecular structure consisting of the biopolymer chitosan,carbon nanotube,and an ionic liquid.Advanced Materials,2010,22:3745-3748.3Baughman R H,Cui C,Zakhidov A A,Lqbal Z,Barisci J N,Spinks G M,Wallace G G,Mazzoldi A,Rossi D D,Rinzler A G,Jaschinski O,Roth S,Kertesz M.Carbon nanotube actuators.Science,1999,284:1340-1344.)。

LED灯正逐步取代传统的白炽灯照明设备具有功耗小，寿命长的优点，但是LED灯在应用过程中消耗电池能量，对电池寿命产生一定影响，需要注意延长电池的使用寿命，对LED灯进行有效控制(徐明源.具节能功能的LED灯控制电路及其节能控制方法.200810301350.6)，目前LED灯的控制开关电路包括通过单片机控制继电器闭合电路(李建军,刘春庆,刘祖社,桑旭春,邱纯勇.一种LED驱动电源用单片机控制电路.201220233564.6)，使用恒流开关技术提供闭环控制的电路(阿兰·麦克尔·鲁克,伊布拉辛·S·坎达.闭环电流控制电路及方法.03819789.8)，通过控制电路输出低电平信号与PWM信号交替变换的控制信号(徐明源.具省电功能的LED灯控制电路.200810301327.7)，有复杂的变换电路，消耗大量的能源，有必要提供一种新的功率有效、节省能源的方案。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的问题，本发明提供一种基于离子型电致动聚合物的LED灯控制电路，通过用离子型电致动聚合物作为控制开关，控制LED灯电路的闭合与断开，解决了现有技术的不足。

技术方案：一种基于离子型电致动聚合物的LED灯控制电路，其特征在于，包括红外遥控器、电致动聚合物驱动测试装置、电致动聚合物、LED灯电路、LED灯、锂离子电池；红外遥控器控制测试装置发出驱动信号，驱动电致动聚合物弯曲变形；电致动聚合物的变形使得电路闭合或断开，控制LED灯的发光和熄灭；

所述电致动聚合物为离子型电致动聚合物，包括离子聚合物金属复合材料IPMC、巴基凝胶驱动器。

进一步的，所述电致动聚合物驱动测试装置包括夹持部件和控制系统；

所述夹持部件包括：夹具体上部和夹具体下部，夹具体上部的中部和夹具体下部的中部通过轴连接；夹具体上部的尾部和夹具体下部的尾部通过用于产生预载力的压簧连接；夹具体上部的头部安装有用于装夹离子型电致动聚合物的电极，夹具体下部的头部安装有电极基座；

所述控制系统包括：微控制单元、D/A转换芯片、差分放大单元、电源管理单元、控制开关和MicroUSB接口。控制系统包括红外遥控和非红外遥控两种，可以发出正弦波、方波、直流电压。

进一步的，所述离子型电致动聚合物为氮掺碳纳米笼增强的离子聚合物金属复合材料。

进一步的，所述离子型电致动聚合物为壳聚糖聚合物碳离子液体电极驱动器，所述碳包括碳纳米管(MWCNT)和石墨烯(GS)。

进一步的，离子型电致动聚合物的制备方法包括以下步骤：

1)氮掺碳纳米笼通过MgO模板方法，吡啶作为前驱体；

2)将氮掺碳纳米笼均匀分散于Nafion溶液中，含量分别为0.1wt％和0.2wt％，磁力转子搅拌2h，超声分散1h以获得均匀溶液；

3)将步骤2)获得的均匀溶液倾倒至硅橡胶模具，置于烤箱，在70℃下干燥16h，在150℃下退火8min；获得含量分别为0.1wt％和0.2wt％的氮掺碳纳米笼增强Nafion膜；

4)通过化学镀的方法在氮掺碳纳米笼Nafion膜两侧沉积铂金属；

5)将获得复合薄膜浸泡于1.5M LiCl溶液中，于烤箱中30℃下烘烤3d，进行Li 离子交换，获得氮掺碳纳米笼增强的离子聚合物金属复合材料。

有益效果：本发明采用离子型电致动聚合物作为控制开关，该控制电路可以通过红外遥控电致动聚合物测试装置中控制系统发出驱动信号，驱动电致动聚合物产生变形，从而控制LED灯电路的闭合和断开，该LED灯控制电路简单，无需增加额外调光元件，减少了LED灯的功率损耗，节省了能源，从而延长了LED灯的工作时间，增加了电池寿命。

附图说明

图1为氮掺碳纳米笼表面形貌.(a～d)SEM；(e)TEM；(f)高分辨率TEM

图2为纯Nafion膜和氮掺碳纳米笼增强Nafion膜的断面SEM图片.

图中(a,b)为纯Nafion膜；图中(c～f)为氮掺碳纳米笼含量为0.1wt％的Nafion膜；图中(g,h)氮掺碳纳米笼含量为0.2wt％的Nafion膜

图3为纯Nafion和氮掺碳纳米笼增强的Nafion膜的力-位移曲线

图4为氮掺碳纳米笼含量为0.1wt％的IPMC的SEM图片.

图中(a)为断面；(b)为铂电极的断面；(c)为电极和Nafion膜的交界面；(d)为铂电极的表面

图5为纯Nafion和氮掺碳纳米笼增强的Nafion膜驱动器的驱动性能

图中(a)为最大位移和电压的关系；(b)为正弦电压(2.5V，0.1Hz)下的谐振位移响应；(c)为最大输出力和电压的关系；(d)为正弦电压(2.5V，0.1Hz)下5个周期的力输出

图6为壳聚糖聚合物多壁碳纳米管-离子液凝胶电极Bucky gel驱动器的断面SEM.图中(a)为驱动器整体断面SEM；(b)为多壁碳纳米管-离子液凝胶电极的断面SEM

图7为壳聚糖聚合物多壁碳纳米管-离子液凝胶电极Bucky gel驱动器的输出位移性能曲线.

图中(a)为电压幅值4Vrms,频率0.1Hz；(b)为电压幅值5Vrms,频率0.1Hz；(c)为电压幅值6Vrms,频率0.1Hz；(d)为电压幅值7Vrms,频率0.1Hz

图8为壳聚糖聚合物石墨烯-离子液凝胶电极Bucky gel驱动器的断面SEM

图中(a)为驱动器断面SEM；(b)为石墨烯-离子液凝胶电极的断面SEM

图9为不同正弦电压(4，5，6，7V，0.1Hz)下石墨烯Bucky gel电致动器的位移.图中(a)为应变与时间的曲线；(b)为十个周期内的最大应变

图10为实施例1，回路由电致动聚合物上下表面连接

图11为实施例2，回路由电致动聚合物上表面连接

图12为实施例3，回路由电致动聚合物下表面连接

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于离子型电致动聚合物的LED灯控制电路，其特征在于，包括红外遥控器1、电致动聚合物驱动测试装置2、电致动聚合物3、LED灯电路4、LED灯5、锂离子电池6；红外遥控器1控制测试装置2发出驱动信号，驱动电致动聚合物3弯曲变形；电致动聚合物3的变形使得电路4闭合或断开，控制LED灯5的发光和熄灭；

所述电致动聚合物3包括离子聚合物金属复合材料IPMC、巴基凝胶(Bucky gel)驱动器等电致动材料。

进一步的，所述电致动聚合物驱动测试装置2包括夹持部件和控制系统；

所述夹持部件包括：夹具体上部2-1和夹具体下部2-2，夹具体上部的中部和夹具体下部的中部通过轴2-3连接；夹具体上部的尾部和夹具体下部的尾部通过用于产生预载力的压簧2-4连接；夹具体上部的头部安装有用于装夹离子型电致动聚合物的电极2-5，夹具体下部的头部安装有和电极基座2-6；

所述控制系统包括：微控制单元、D/A转换芯片、差分放大单元、电源管理单元、控制开关和Micro-USB接口。控制系统包括红外遥控和非红外遥控两种，可以发出正弦波、方波、直流电压；每个实施例都可以使用者两种遥控方式。

进一步的，所述离子型电致动聚合物3为氮掺碳纳米笼增强的离子聚合物金属复合材料。氮掺碳纳米笼大大增强了Nafion膜的抗拉强度与弹性模量，提高了含水量和离子聚合物金属复合材料的力学输出性能。

进一步的，所述离子型电致动聚合物3为壳聚糖聚合物-碳(碳纳米管和石墨烯)离子液体电极Bucky gel驱动器，离子液体的阴阳离子作为迁移离子，在电信号作用下，阳离子迁移至驱动器负极端，阴离子迁移至驱动器阳极端，由于位阻效应，负极端积累的较大阳离子膨胀多于阳极端积累的较小阴离子，导致向阳极弯曲变形。电信号低于或接近离子液体电化学窗口时，Bucky gel驱动器显示了稳定的输出位移。

具体的，本发明还包括以下步骤：

1、氮掺碳纳米笼增强的离子聚合物金属复合材料(NCNCs/Nafion-IPMC)制备(该方法为离子型电致动聚合物的制备方法中的一种)：

1)氮掺碳纳米笼通过文献中报道的MgO模板方法，吡啶作为前驱体获得(Zhao J,Lai H,Lyu Z,Jiang Y,Xie K,Wang X,Wu Q,Yang L,Jin Z,Ma Y,Liu J,Hu Z.Hydrophilic hierarchical nitrogen-doped carbon nanocages for ultrahigh supercapacitive performance.Adv Mater 2015；27:3541-3545.Chen S,Bi J,Zhao Y,Yang L,Zhang C,Ma Y,Wu Q,Wang X,Hu Z.Nitrogen-doped carbon nanocages as efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction.Adv Mater 2012；24:5593-5597.)，其形貌如图1所示。

2)将氮掺碳纳米笼均匀分散于Nafion溶液中，含量分别为0.1wt％和0.2wt％，磁力转子搅拌2h，超声分散1h以获得均匀溶液。

3)将该溶液倾倒至硅橡胶模具，置于烤箱，在70℃下干燥16h，在150℃下退火8min，

获得含量分别为0.1wt％和0.2wt％的氮掺碳纳米笼增强Nafion膜(NCNCs/Nafion膜)，不加氮掺碳纳米笼采用同样的方法可以获得纯Nafion膜。

纯Nafion膜和NCNCs/Nafion膜的断面如图2所示，可以看出尺寸范围～100nm至1μm的氮掺碳纳米笼均匀分布于0.1wt％的NCNCs/Nafion膜(图2c～2f)，而氮掺碳纳米笼团聚在0.2wt％的NCNCs/Nafion膜中(图2g)，并有大量碳纳米笼沉积在Nafion膜底部(图2h)，这会降低界面结合强度，导致Nafion膜的非对称离子交换能力，形成非对称的金属电极(图2h和图4b)和表面电阻，这也是0.2wt％的NCNCs/Nafion-IPMC输出位移非对称(图5b)的原因。

图3给出了纯Nafion膜和含量分别为0.1wt％和0.2wt％的NCNCs/Nafion膜的拉伸曲线，拉断的力分别为22，30.7，36.3N，它们的抗拉强度分别为15.7，24.5，27.9MPa，0.1wt％和0.2wt％的NCNCs/Nafion膜的抗拉强度分别是纯Nafion膜的1.6倍，1.8倍，拉伸曲线还显示出氮掺碳纳米笼的添加增加了应变，这是由于改进的界面结合强度和Nafion膜的微相形貌。由于共价键氮掺碳纳米笼中修饰后的碳原子可以和Nafion结合紧密，有效促进外加载荷转移至氮掺碳纳米笼，避免晶界附近的滑动现象，从而提高界面结合强度；同时由于氮掺碳纳米笼和Nafion之间不同的化学键，氮掺碳纳米笼被推至晶界附近，在氮掺碳纳米笼和晶界形成物理扎钉效应，改善晶体界面强度。值得注意的是，0.1wt％NCNCs/Nafion膜的应变要稍微高于0.2wt％NCNCs/Nafion膜，进一步验证了0.1wt％的NCNCs/Nafion膜中氮掺碳纳米笼均匀分布，0.2wt％的NCNCs/Nafion膜中氮掺碳纳米笼团聚。

4)通过化学镀的方法在氮掺碳纳米笼Nafion膜两侧沉积铂金属(He Q S,Yu M,Zhang X Q,Dai Z D.Electromechanical performance of an ionic polymer-metal composite actuator with hierarchical surface texture.Smart Materials and Structures,2013,22,055001(11pp).)；

5)将获得复合薄膜浸泡于1.5M LiCl溶液中，于烤箱中30℃下烘烤3d，进行Li离子交换，获得氮掺碳纳米笼增强的离子聚合物金属复合材料。

图4给出了0.1wt％的NCNCs/Nafion-IPMC的SEM图片，图4a给出了断面SEM图片，由Nafion膜和两侧的铂金属层(厚度为～12μm，图4b)组成，对称的金属层保证了0.1wt％的NCNCs/Nafion-IPMC输出位移的对称性。图4c显示出聚合物和金属之间较好的结合，铂颗粒深深嵌入至Nafion，没有明显的界面，说明电极很好地渗透至聚合物。从图4d可以看出电极的铂金属颗粒直径均匀分布在50-200nm。

IPMC裁剪成20mm×5mm(长×宽)，测试了位移和力等驱动行为，如图5所示。图5a和5b给出了正弦电压(1.5，2.5，3.0V，0.1Hz)输入下，纯Nafion-IPMC和NCNCs/Nafion-IPMC的最大位移。可以看出NCNCs/Nafion-IPMC的位移明显提高，特别是0.1wt％NCNCs/Nafion-IPMC的位移是纯Nafion的1.6～2倍。这要归功于碳纳米笼上的孔提供了离子迁移和水分子储存的空间，增加了含水量，从而产生了大的输出位移。图5b给出了正弦电压(2.5，0.1Hz)输入下的谐波位移响应，纯Nafion-IPMC和0.1wt％NCNCs/Nafion-IPMC显示了对称的位移响应，这是由于Nafion膜中均匀分布的氮掺碳纳米笼(图2c～2f)和对称的电极层；但是由于氮掺碳纳米笼团聚和沉积(图2g和2h)，0.2wt％NCNCs/Nafion-IPMC显示了明显的不对称的位移。图5c给出了正弦电压(1.5，2.5，3.0V，0.1Hz)输入下，纯Nafion-IPMC和NCNCs/Nafion-IPMC的最大输出力。可以看出NCNCs/Nafion-IPMC的力明显提高，特别是0.1wt％NCNCs/Nafion-IPMC的力是纯Nafion的1.6～2倍，这是由于氮掺碳纳米笼增加了抗拉强度、弹性模量和含水量(表1)。

由于氮掺碳纳米笼沉积在Nafion膜底部，0.2wt％NCNCs/Nafion-IPMC的输出力要低于0.1wt％NCNCs/Nafion-IPMC。图5d给出了正弦电压(2.5，0.1Hz)输入下5个周期的最大输出力。

表1纯Nafion膜和氮掺碳纳米笼增强的Nafion膜的特性

2、Bucky gel驱动器制备：

壳聚糖聚合物多壁碳纳米管-离子液凝胶电极Bucky gel驱动器的具体制备步骤如下：

步骤1)MWCNT/BMIBF₄电极薄膜的制备：50mg壳聚糖粉末加入到10ml 2％的乙酸溶液中，在60℃下搅拌30min，以形成均匀的溶液，80mg MWCNT和190mg的BMImBF₄加入到上述溶液中冰浴条件下超声30min，超声后混合溶液倾倒至PDMS模具中，置于烤箱中60℃下烘烤12h，获得MWCNT含量为15wt％的MWCNT/BMIBF₄电极薄膜；

步骤2)壳聚糖离子液体电解质薄膜的制备：100mg壳聚糖加入到5ml 2％的乙酸溶液中，在60℃下搅拌30min，以形成均匀的溶液，830mg的甘油和200mg的BMImBF₄加入上述溶液，在60℃下搅拌30min，获得的混合溶液倾倒入PDMS模具，置于烤箱中60℃下烘烤8h，获得壳聚糖离子液体聚合物薄膜；

步骤3)三层驱动器的制备：采用金相试样镶嵌机XQ-2B热压电极薄膜和聚合物薄膜，温度为70℃，获得两边是MWCNT/BMIBF₄电极薄膜，中间是壳聚糖离子液体聚合物薄膜的Bucky gel驱动器，其断面SEM如图6所示，图7给出了Bucky gel驱动器在电压4，5，6，7V，频率0.1Hz下的输出位移，随着电压的增加，输出位移逐渐增加，说明该驱动器在低电压下具有可控性。和传统的IPMC相比，该驱动器内部是离子液体的阳离子BMI⁺和阴离子BF₄^-迁移，在电信号作用下，阳离子BMI⁺迁移至驱动器负极端，阴离子BF₄^-迁移至驱动器阳极端，由于位阻效应，负极端积累的较大阳离子膨胀多于阳极端积累的较小阴离子，导致向阳极弯曲变形，因此没有水分子参与迁移，不存在水的电解现象，在驱动电压低于离子液体的电化学窗口的时候，驱动器显示了较好的稳定工作能力，输出位移基本保持在某一水平，图7a和7b中驱动器的输出位移在600s后没有衰减，图7c中驱动器的位移在600s后保持初始位移的83％，图7d中驱动器的位移在600s后保持初始位移的50％，这是由于图7c和7d中输入电压高于离子液体的电化学窗口许多，导致离子液体不稳定，产生了电化学反应，使得参与迁移的离子逐渐减少，输出位移有所衰减。

壳聚糖聚合物石墨烯(GS)-离子液(BMIBF₄)凝胶电极Bucky gel驱动器的具体制备步骤如下：

步骤1)GS/BMIBF₄电极薄膜的制备：50mg壳聚糖粉末加入到10ml 2％的乙酸溶液中，在60℃下搅拌30min，以形成均匀的溶液，80mg GS和190mg的BMImBF₄加入到上述溶液中冰浴条件下超声30min，超声后混合溶液倾倒至PDMS模具中，置于烤箱中60℃下烘烤12h，获得GS含量为15wt％的GS/BMIBF₄电极薄膜；

步骤2)壳聚糖离子液体电解质薄膜的制备：100mg壳聚糖加入到5ml 2％的乙酸溶液中，在60℃下搅拌30min，以形成均匀的溶液，830mg的甘油和200mg的BMImBF₄加入上述溶液，在60℃下搅拌30min，获得的混合溶液倾倒入PDMS模具，置于烤箱中60℃下烘烤8h，获得壳聚糖离子液体聚合物薄膜；

步骤3)三层驱动器的制备：采用CARVER热压机热压石墨烯电极薄膜和聚合物薄膜，温度为70℃，获得两边是石墨烯电极薄膜，中间是壳聚糖离子液体聚合物薄膜的Bucky gel驱动器，其断面SEM如图8所示。在正弦电压幅值为4，5，6，7V频率0.1Hz的输入信号下获得的应变分别为0.032％，0.038％，0.063％，0.1％，该结果可以和Torop等报道的柔性类超级电容器的碳电极驱动器应变值(0.019％～0.359％)相当(Torop J,Palmre V,Arulepp M,Sugino T,Asaka K,Aabloo A.Flexible supercapacitor-like actuator with carbide-derived carbon electrodes.Carbon,2011,49:3113-9.)。在驱动正弦电压幅值为4和5V，频率为0.1Hz时该新型离子型驱动器的输出位移没有衰减，甚至还有一些增加趋势，这是由于驱动器内部不存在水解的问题，而且片状的石墨烯薄膜电极结构有效地阻止了离子液体的泄漏。当驱动电压高于离子液体BMImBF₄的电化学窗口(～4.7V)，在正弦电压幅值为6，7V时驱动器的位移在600s后分别保持82％，51％，如图9所示。因此，我们需要控制驱动电压的大小在电化学窗口附近，避免离子液体变得不稳定，以保持离子型驱动器稳定的驱动性能。

3、实施例1

离子型电致动聚合物的LED灯控制电路包括红外遥控器1、便携式离子型电致动聚合物测试装置2、电致动聚合物3、LED灯电路4、LED灯5，锂离子电池6，电致动聚合物3上表面接地，回路由电致动聚合物3的上下表面连接，沿着电压下降的方向连接，图10所示。便携式离子型电致动聚合物测试装置1包括夹持部件和控制系统，分红外遥控和非红外遥控两种，可以发出正弦波、方波、直流电压。夹持部件包括：夹具体上部(2-1)，夹具体下部(2-2)，夹具体上部的中部和夹具体下部的中部通过轴(2-3)连接，夹具体上部的尾部和夹具体下部的尾部通过用于产生预载力的压簧(2-4)连接，夹具体上部的头部和夹具体下部的头部分别安装有用于装夹离子型电致动聚合物的电极(2-5)和电极基座(2-6)。控制系统包括：微控制单元MCU、D/A转换芯片、差分放大单元、电源管理单元、控制开关和Micro-USB接口。电致动聚合物3可以采用前面所述离子聚合物金属复合材料IPMC、，Bucky gel驱动器。电致动聚合物初始位置为水平状态，当便携式离子型电致动聚合物测试装置2发出直流电驱动信号，电致动聚合物3会产生向上的弯曲变形，则LED灯电路4闭合，LED灯5发光，当停止发出驱动信号，电致动聚合物3会慢慢恢复至水平位置，则LED灯电路4断开，LED灯5熄灭。若便携式离子型电致动聚合物测试装置2发出正弦波或方波驱动信号，则电致动聚合物3会产生上下回复弯曲变形，则LED灯电路4处于交替闭合和断开，LED灯5交替发光和熄灭。

实施例2

离子型电致动聚合物的LED灯控制电路2包括红外遥控器1、便携式离子型电致动聚合物测装置2、电致动聚合物3、LED灯电路4、LED灯5，锂离子电池6，电致动聚合物3上表面接地，回路由电致动聚合物的上表面连接，沿着电压下降的方向连接，如图11所示。

电致动聚合物的初始位置为水平状态，电路断开，当便携式离子型电致动聚合物测试装置2发出直流电驱动信号，电致动聚合物3会产生向上的弯曲变形，则LED灯电路4闭合，LED灯5发光，当停止发出驱动信号，电致动聚合物3会慢慢恢复至水平位置，则LED灯电路4断开，LED灯5熄灭。若便携式离子型电致动聚合物测试装置2发出正弦波或方波驱动信号，则电致动聚合物3会产生上下回复弯曲变形，则LED灯电路4处于交替闭合和断开，LED灯5交替发光和熄灭。

实施例3

离子型电致动聚合物的LED灯控制电路2包括红外遥控器1、便携式离子型电致动聚合物测装置2、电致动聚合物3、LED灯电路4、LED灯5，锂离子电池6，电致动聚合物3上表面接地，回路由电致动聚合物的下表面连接，沿着电压下降的方向连接，如图12所示。

电致动聚合物的初始位置为水平状态，电路闭合，当便携式离子型电致动聚合物测试装置2发出直流电驱动信号，电致动聚合物3会产生向上的弯曲变形，则LED灯电路4断开，LED灯5熄灭，当停止发出驱动信号，电致动聚合物3会慢慢恢复至水平位置，则LED灯电路4闭合，LED灯5发光。若便携式离子型电致动聚合物测试装置2发出正弦波或方波驱动信号，则电致动聚合物3会产生上下回复弯曲变形，则LED灯电路4处于交替闭合和断开，LED灯5交替发光和熄灭。

根据上述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。