磺化聚芳醚砜及其制法和其在制备电致动器中的应用.pdf

一种磺酸化聚芳醚砜或磺酸化聚芳醚砜衍生物，它是二苯砜与2,2-二(4-羟基苯基)丙烷或双酚芴[BHPF，9，9-双(4-羟苯基)芴]或聚乙二醇修饰的双酚芴的磺酸化嵌段聚合物：磺酸化聚芳醚砜、磺酸化聚芳醚砜衍生物或聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物，其结构式如下：其中：R1为H或SO3H；R2为H或SO3H。本发明的磺酸化聚芳醚砜可以用于制备离子交换聚合物/金属复合材料电致动器。本发明的磺酸化的聚芳醚砜具有更高的离子交换当量，具有更宽的机械性能调节范围，且价格比较低。

1.  一种磺酸化聚芳醚砜或磺酸化聚芳醚砜衍生物，其特征是：它是二苯砜与2,2-二(4-羟基苯基)丙烷或双酚芴或聚乙二醇修饰的双酚芴的磺酸化嵌段聚合物：磺酸化聚芳醚砜、磺酸化聚芳醚砜衍生物或聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物，其结构式如下：

其中：R₁和R₂为SO₃H。或

其中：R₁、R₂为SO₃H，R₃为H或CH₂-O-(-CH₂-CH₂-O-)_m-CH₃聚醚链，R₄与R₅为H或SO₃H。

2.  一种制备权利要求1所述的磺酸化聚芳醚砜的方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤1、将1摩尔的4,4’-二氯二苯砜、1.0-1.8摩尔的2,2-二(4-羟基苯基)丙烷和过量15％的K₂CO₃加入反应瓶中，加溶剂N,N-二甲基乙酰胺和带水剂甲苯，然后装上带分水器的冷凝管，搅拌，N₂保护下缓慢升温至135℃反应3h，并除去反应生成的水，之后升温至155℃继续反应14h，反应结束后，往反应瓶中加入N,N-二甲基乙酰胺将产物稀释，之后倒入甲醇中沉淀出产物聚芳醚砜，抽滤干燥，产物再用1,2-二氯乙烷搅拌溶解2h，之后再在甲醇中沉淀出来以彻底除去无机盐、小分子等杂质，得到聚芳醚砜；
步骤2、将聚芳醚砜溶解于1,2-二氯乙烷中，将其加入装有恒压滴液漏斗的反应瓶中，搅拌，量取氯磺酸溶于1,2-二氯乙烷中倒入恒压漏斗内，聚芳醚砜与氯磺酸的质量之比为1:2-1:2.5之间，控制流速，使氯磺酸在2h内逐滴滴入聚芳醚砜溶液中，然后再继续反应2h，反应完后蒸去反应体系中的溶剂，得到 琥珀色的固体产物磺化聚芳醚砜，将产物在3％的KOH溶液中搅拌加热至60℃1h，抽滤水洗后再在5％的HCl溶液中搅拌加热至60℃，最后抽滤、水洗后，烘干，磺酸化聚芳醚砜。

3.  一种制备权利要求1所述的磺酸化聚芳醚砜衍生物的方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤1、将摩尔比为1:1的4,4’-二氯二苯砜和双酚芴、过量15％的K₂CO₃、已干燥的二甲亚砜和带水剂甲苯加入反应瓶中，然后装上带分水器的冷凝管，搅拌，N₂保护下缓慢升温至135℃反应3h，并除去反应生成的水，之后升温至170-190℃之间继续反应20h，反应结束后，往烧瓶中加入二甲亚砜将产物聚芳醚砜衍生物稀释，之后倒入甲醇中沉淀出来，抽滤干燥，干燥完的产物再用N，N-二甲基乙酰胺搅拌溶解2h，之后再在甲醇中沉淀出来，然后水洗、抽滤、干燥，即得聚芳醚砜衍生物；
步骤2、将步骤1所述的聚芳醚砜衍生物溶解于1,2-二氯乙烷中，将氯磺酸溶解于1,2-二氯乙烷中，聚芳醚砜衍生物与氯磺酸的质量之比1:2-1:6.5之间,将氯磺酸的1,2-二氯乙烷溶液于室温下逐滴滴入聚芳醚砜衍生物溶液中，整个过程需要2h，之后再继续反应1h，反应结束后，蒸去1,2-二氯乙烷，产物磺化聚芳醚砜衍生物用蒸馏水洗涤数次，抽滤，干燥，即得磺化聚芳醚砜衍生物。

4.  一种制备上述的聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物的方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤1、将磺化聚芳醚砜衍生物用1,2-二氯乙烷溶解，溶解完全后，加入氯甲基化试剂1,4-二(氯甲氧基)丁烷(BCMB)和少许催化剂SnCl₄，SBHPF-SPAES与BCMB的用量之比为SBHPF-SPAES的每链节用BCMB 1-2.5摩尔，于室温下反应3h，反应结束后用乙醇为沉淀剂，使产物聚合物析出，依次用N，N-二甲基乙酰胺、稀盐酸洗涤产物聚合物，再用蒸馏水多次洗涤，至洗涤液不含氯离子，真空干燥，得氯甲基化的磺化聚芳醚砜衍生物；
步骤2、将氯甲基化的磺化聚芳醚砜衍生物置于带有搅拌、温度计以及回流冷凝管的四口瓶中，加入N,N二甲基乙酰胺使其完全溶解，再分别加入聚乙二醇和Na₂CO₃，PEGME-750用量为等摩尔的步骤1的BCMB用量，，于70℃下搅拌反应，反应结束后用乙醇为沉淀剂，使产物聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物析出，再 用蒸馏水多次洗涤，真空干燥，即得聚乙二醇修饰的磺化聚芳醚砜衍生物。

5.  权利要求1所述的磺酸化聚芳醚砜、磺酸化聚芳醚砜衍生物和聚乙二醇修饰的磺化聚芳醚砜衍生物在制备离子交换聚合物/金属复合材料电致动器中的应用。

磺化聚芳醚砜及其制法和其在制备电致动器中的应用
技术领域
本发明涉及磺酸化聚芳醚砜(SPAES)及其衍生物以及离子交换聚合物/金属复合材料电致动器和在机械仿生中的应用。
技术背景
离子交换聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composite，IPMC)作为一类新兴的智能材料，享有“人工肌肉”的美誉。由IPMC制备的电致动器具有驱动电压低、致动方式简单、相对形变量大、重量轻及操作安全等优点，在应力传感器、人工肌肉、仿生材料、柔性机械致动器和生物医用材料等领域具有广泛的应用前景。
IPMC由离子交换聚合物(全氟磺酸(如Nafion)、全氟碳酸(如Flemion)等)和吸附在聚合物两侧的惰性金属纳米电极组成。Nafion的结构特征是：主链为碳氟骨架，具有憎水的功能；侧链是酸根，具有亲水的功能。由于同时含有亲水和憎水基团，结晶成膜后，离子交换膜内形成了无数的液体分子如水分子运动的微管道，直径处于0.5～5nm之间。1993年，日本的Asaka课题组和美国的Shanhinpoor课题组同时发现：电场下，IPMC发生形变，对外界产生一定的应力，因此有望将IPMC用于电致驱动器。普遍为人接受的致动机理是：电场作用下，水合阳离子携带一定的溶剂分子(如水分子)通过微小内管道向阴极移动，从而引起阳极的收缩和阴极的膨胀，宏观上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。反之，对IPMC施加机械变形，导致其表面电荷的不平衡分布，引发表面电场变化，以此可制备位移/力传感器。
目前，IPMC还存在输出功率相对较小、非水工作时间较短、造价高昂等缺点，这些缺点严重地阻碍了其应用发展。主要因素来自基体膜材料的低储水量、地离子交换当量。但现有Nafion膜的分子结构(主链为C-F结构)十分稳定，对其进行改性难以实现，而单纯采用掺杂改性，又将面对Nafion膜高昂的造价，使得IPMC无法进行大规模的推广。因此，制备具有高离子交换当量、高电导率、 高吸水率及成本低廉的新型离子交换聚合物，用以取代现有的全氟磺酸聚合物，成为IPMC开发研究的瓶颈。在这方面，国内外学者已经积累了一些前期探索。磺化聚苯乙烯(SPS)、磺化苯乙烯-乙烯共聚物(SPSE)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、苯乙烯-马来酰亚胺嵌段共聚物已被尝试用于研究制备IPMC，由于它们具有优越的离子交换能力、电导率，由此制备的IPMC显示了理想的致动性能。与常规Nafion基IPMC相比，由这些聚合物制备的IPMC在交流电压下位移输出相当，但力输出明显增强；在直流电压驱动下不存在常规IPMC的位移松弛、回复现象。但这些离子交换膜也存在含水量较低、化学稳定性差等缺陷，导致工作时间短、力学输出性能不稳定等问题。
聚砜是一类拥有优越的力学性能、加工性能、热稳定性、化学稳定性的特种工程塑料。常规双酚A型聚砜(PSF)的结构式如下。经亲水改性后的聚砜可具备一定的离子交换能力，代替常规Nafion，在水处理、燃料电池等离子交换树脂领域展开应用。据我们调研，尚没有聚砜及其衍生物用于IPMC的报道。用作离子交换树脂之前，要对聚砜进行亲水改性，使其主链上带上亲水官能团磺酸基、羟基或羧酸基等。另外，相对于苯环来说，芴环的给电子能力更强，因此可以接枝更多的亲水基团。聚砜的磺化度与膜的离子交换当量和吸水率密切相关，依据我们测试结果：磺化度为70％的磺化聚砜具有的离子交换当量为1.65meq/g,该数值为相同条件下全氟磺酸聚合物(Nafion)的两倍左右。同时，吸水量也大为增加，有利于为IPMC长时间稳定工作提供水支撑。因此，以聚砜为模板进行适当的结构设计，可望得到价格低廉、离子交换性能优越、可用于IPMC的新型离子交换树脂。

美国专利(6,475,639)和(6,109,852)叙述了人工肌肉材料的一种制备工艺过程，以及人工肌肉材料作为致动器和传感器的一些应用研究，包括水下机器鱼的发明，机械钳的发明等。其它的专利主要也是对电致动聚合物的一些应用探索，其中在医学领域，叙述了人工肌肉材料用于心脏压缩设备的设计，可植入人 体用于治疗的微型泵的设计，作为用于人体内部器官检查的“微胶囊”机器人的驱动装置，以及用于人体肌肉的修复等。在其他应用方面，主要有：利用电致动聚合物的致动性发明盲文显示器；基于电致动聚合物材料变形原理研制一种阀门以及旋转马达；由电致动聚合物设计的传感器等。但是所涉及的人工肌肉材料并没有在力输出小、对潮湿环境的依赖等问题上有所突破。
中国专利一种多孔的全氟离子交换膜及其制法和用途(200710191892.8)提出制备机械性能优化的多孔的全氟离子交换膜，并将之用于人工肌肉驱动器，可以提高力输出，延长工作时间；石墨烯-离子聚合物电致动器及其制备方法与应用(201110165842.9)提出研制用于IPMC的石墨烯电极。
与上述专利不同，本发明提出用聚芳醚砜(SPAES)及其衍生物作为离子交换膜，制备新型IPMC电致动器。
发明内容
本发明涉及磺酸化聚芳醚砜(SPAES)及其衍生物以及用它制备的离子交换聚合物/金属复合材料电致动器，以及在机械仿生中的应用。
本发明的技术方案如下：
一种磺酸化聚芳醚砜或磺酸化聚芳醚砜衍生物，它是二苯砜与2,2-二(4-羟基苯基)丙烷或双酚芴[BHPF，9，9-双(4-羟苯基)芴]或聚乙二醇修饰的双酚芴的磺酸化嵌段聚合物：磺酸化聚芳醚砜、磺酸化聚芳醚砜衍生物或聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物，其结构式如下：

其中：R₁与R₂为SO₃H；
或结构式为： 

其中：R₁与R₂为SO₃H，R₃为H或CH₂-O-(-CH₂-CH₂-O-)_m-CH₃聚醚链，R₄与R₅为H或SO₃H。
一种制备上述的磺酸化聚芳醚砜的方法，它包括以下步骤：

步骤1、将1.0摩尔的4,4’-二氯二苯砜(DCDPS)、1.0-1.8摩尔的2,2-二(4-羟基苯基)丙烷(双酚A，BPA)和过量15％的K₂CO₃加入反应瓶中，加溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)和带水剂甲苯，然后装上带分水器的冷凝管，搅拌，N₂保护下缓慢升温至135℃反应3h，并除去反应生成的水，之后升温至155℃继续反应14h，反应结束后，往反应瓶中加入N,N-二甲基乙酰胺将产物稀释，之后倒入甲醇中沉淀出产物聚芳醚砜(PAES)，抽滤干燥，产物再用1,2-二氯乙烷搅拌溶解2h，之后再在甲醇中沉淀出来以彻底除去无机盐、小分子等杂质，得到聚芳醚砜；
步骤2、将上述的聚芳醚砜溶解于1,2-二氯乙烷中，将其加入装有恒压滴液漏斗的反应瓶中，搅拌，量取氯磺酸溶于1,2-二氯乙烷中倒入恒压漏斗内，聚芳醚砜与氯磺酸的质量之比为1:2-2.5之间，控制流速，使氯磺酸在2h内逐滴滴入聚芳醚砜溶液中，然后再继续反应2h，反应完后蒸去反应体系中的溶剂， 得到琥珀色的固体产物磺化聚芳醚砜(SPAES)，将产物在3％的KOH溶液中搅拌加热至60℃1h，抽滤水洗后再在5％的HCl溶液中搅拌加热至60℃，最后抽滤、水洗后，烘干，磺酸化聚芳醚砜。
一种制备上述的磺酸化聚芳醚砜衍生物的方法，它包括以下步骤：

步骤1、将摩尔比为1:1的DCDPS和双酚芴(BHPF)、过量15％的K₂CO₃、已干燥的二甲亚砜(DMSO)和带水剂甲苯加入反应瓶中，然后装上带分水器的冷凝管，搅拌，N₂保护下缓慢升温至135℃反应3h，并除去反应生成的水，之后升温至170-190℃之间继续反应20h，反应结束后，往烧瓶中加入DMSO将产物聚芳醚砜衍生物(BHPF-PAES)稀释，之后倒入甲醇中沉淀出来，抽滤干燥，干燥完的产物再用DMAc搅拌溶解2h，之后再在甲醇中沉淀出来以彻底除去无机盐、小分子等杂质，然后水洗抽滤干燥，即得聚芳醚砜衍生物；
步骤2、将上述的聚芳醚砜衍生物(BHPF-PAES)溶解于1,2-二氯乙烷中，将氯磺酸(氯磺酸的用量决定聚芳醚砜衍生物的磺化度)溶解于1,2-二氯乙烷中，聚芳醚砜衍生物与氯磺酸的质量之比1:2-1:6.5之间，将氯磺酸的1,2-二氯乙烷溶液于室温下逐滴滴入聚芳醚砜衍生物溶液中，整个过程需要2h，之后再继续反应1h，反应结束后，蒸去1,2-二氯乙烷，产物磺化聚芳醚砜衍生物(SBHPF-SPAES)用蒸馏水洗涤数次，抽滤，干燥，即得磺化聚芳醚砜衍生物。
一种制备上述的聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物的方法，它包括以下步骤：

步骤1、将上述制得的磺化聚芳醚砜衍生物(SBHPF-SPAES)用1,2-二氯乙烷溶解，溶解完全后，加入氯甲基化试剂1,4-二(氯甲氧基)丁烷(BCMB)和催化量的催化剂SnCl₄，SBHPF-SPAES与BCMB的用量之比为SBHPF-SPAES的每链节用 BCMB 1-2.5摩尔，于室温(25℃)下反应3h，反应结束后用乙醇为沉淀剂，使产物聚合物析出，依次用N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、稀盐酸洗涤产物聚合物，再用蒸馏水多次洗涤，至洗涤液不含氯离子，真空干燥，得氯甲基化的磺化聚芳醚砜衍生物；
步骤2、将氯甲基化的磺化聚芳醚砜衍生物置于带有搅拌、温度计以及回流冷凝管的四口瓶中，加入DMAc使其完全溶解，再分别加入聚乙二醇(PEGME-750)和Na₂CO₃，PEGME-750用量为等摩尔的步骤1的BCMB用量，于70℃下搅拌反应，反应结束后用乙醇为沉淀剂，使产物聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物(PEG-SBHPF-SPAES)聚合物析出，再用蒸馏水多次洗涤，真空干燥，即得聚乙二醇修饰的磺化聚芳醚砜衍生物(PEG-SBHPF-SPAES)。
上述的磺酸化聚芳醚砜、磺酸化聚芳醚砜衍生物和聚乙二醇修饰的磺化聚芳醚砜衍生物可以用于制备离子交换聚合物/金属复合材料电致动器。
本发明的电致动器由离子交换膜(a)、电极(b)、和外界电源(信号发生器)组成，如图1所示。
上述的电致动器所述的离子交换膜为磺酸化的聚芳醚砜(SPAES)或磺酸化的聚芳醚砜衍生物，厚度为50μm-300μm；电极为Pt、Au或Ag等纳米金属电极，厚度为1μm-10μm；电信号可以是电压0.5-5V，频率0.1-20Hz的正弦波、方波、或三角波。
本发明还提供一种悬臂梁式电致动器。输入电信号之后，产生位移和力输出，将电能转化为机械能。其力输出性能高于同规格的全氟磺酸基悬臂梁式电致动器；位移偏转处于5-70°之间。
本发明采用了磺酸化的聚芳醚砜及聚芳醚砜衍生物作为电致动器的基底聚合物材料，在其两侧嵌入导电金属电极，输入电信号得新型聚合物电致动器。相对于常规的全氟磺酸(Nafion)、全氟碳酸(Flexmion)、磺酸化聚醚醚酮(SPEEK)，本发明中的SPAES具备优点：
1.磺酸化的聚芳醚砜及聚芳醚砜衍生物可具有更高的离子交换当量。本发明涉及的聚合物骨架中含有大量的苯环，可以取代、接枝多个磺酸、碳酸基团，提升基底膜的离子交换能力，进而提高电致动器的电机械性能。
2.磺酸化的聚芳醚砜及聚芳醚砜衍生物可具有更宽的机械性能调节范围。本发明SPAES上面接枝有亲水性聚乙二醇基团，既可以调节基底膜的机械性能，由增加膜的亲水能力，从而维持长时间的电致动响应。
3.相对全氟磺酸(Nafion)、全氟碳酸(Flexmion)来说，磺酸化的聚芳醚砜及聚芳醚砜衍生物价格低廉。
附图说明
图1聚芳醚砜磺化前后红外光谱对比图；
图2磺化聚芳醚砜衍生物基IPMC的扫描电镜图。a,正面；b,剖面；
图3本发明聚合物电致动器的结构示意图，其中a为离子交换膜；b为电极；
图4IPMC力输出测试装置示意图，其中1为IPMC的驱动模块；2为IPMC的力输出测量模块；3为计算机；4为IPMC；
图5IPMC力输出测试装置实物图；
图6磺化聚芳醚砜衍生物基IPMC的电致动录像截图。
具体实施方式
实施例1：合成聚芳醚砜
在100mL圆底烧瓶中加入，4,4’-二氯二苯砜(DCDPS)2.5g，2,2-二(4-羟基苯基)丙烷(双酚A，BPA)1.9861g，过量15％的K₂CO₃1.381g，溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)13mL，带水剂甲苯6.5mL，然后装上带分水器的冷凝管，磁力搅拌，N₂保护下缓慢升温至135℃反应3h，以除去反应生成的水，之后升温至155℃继续反应14h。反应结束后，往烧瓶中加入一定量DMAc将产物稀释，之后倒入100mL甲醇中沉淀出产物(聚芳醚砜，PAES)，抽滤干燥，产物再用1,2-二氯乙烷搅拌溶解2h，之后再在甲醇中沉淀出来以彻底除去无机盐、小分子等杂质，然后水洗抽滤干燥，称重，得到产物3.9831g，产率88.％。
实施例2：合成磺化聚芳醚砜
称取1g PAES溶解于装有15mL 1,2-二氯乙烷的接有恒压滴液漏斗的圆底烧瓶中，磁力搅拌，再量取100μL氯磺酸溶于10ml 1,2-二氯乙烷中倒入恒压漏斗内，控制流速，使氯磺酸在2h内逐滴滴入PAES溶液中，然后再继续反应2h。 反应完后使用旋转蒸发仪蒸去反应体系中的溶剂，得到琥珀色的固体产物(磺化聚芳醚砜，SPAES)，将产物在3％的KOH溶液中搅拌加热至60℃1h，抽滤水洗后再在5％的HCl溶液中搅拌加热至60℃，最后抽滤水洗数次后，烘干。重复以上步骤将氯磺酸的用量分别改为200μL、230μL、250μL、285μL、300μL，同时为了保持氯磺酸溶液的浓度不变，相应改变1，2-二氯乙烷的用量，得到不同磺化度的SPAES。
实施例3：合成聚芳醚砜衍生物(4，4’-二氯二苯砜与双酚芴缩合得到的聚芳醚砜衍生物)
在100mL圆底烧瓶中加入摩尔比为1:1的DCDPS和双酚芴(BHPF)，过量15％的K₂CO₃(使用前在烘箱中180℃下干燥24h)，已干燥的二甲亚砜(DMSO)和带水剂甲苯，然后装上带分水器的冷凝管，磁力搅拌，N₂保护下缓慢升温至135℃反应3h，以除去反应生成的水，之后升温至170-190℃之间继续反应20h。反应结束后，往烧瓶中加入一定量DMSO将产物聚芳醚砜衍生物(BHPF-PAES)稀释，之后倒入100mL甲醇中沉淀出来，抽滤干燥，干燥完的产物再用DMAc搅拌溶解2h，之后再在甲醇中沉淀出来以彻底除去无机盐、小分子等杂质，然后水洗抽滤干燥。
实施例4：合成磺化聚芳醚砜衍生物
称取上述BHPF-PAES 1.2g溶解于一定量10mL1,2-二氯乙烷中，量取0.22g-1.44g氯磺酸溶解于一定量5mL1,2-二氯乙烷中，将氯磺酸的1,2-二氯乙烷溶液于室温下逐滴滴入聚芳醚砜衍生物溶液中，整个过程需要2h，之后再继续反应1h，反应结束后，旋蒸去1,2-二氯乙烷，产物(磺化聚芳醚砜衍生物，SBHPF-SPAES)用蒸馏水洗涤数次，抽滤，干燥。
实施例5：合成聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物
将实施例4的1.8gSBHPF-SPAES，用20mL1,2-二氯乙烷溶解，溶解完全后，加入的0.24g氯甲基化试剂1,4-二(氯甲氧基)丁烷(BCMB)和少许催化剂SnCl₄，于室温(25℃)下反应3h。反应结束后用乙醇为沉淀剂，使产物聚合物析出，依次用N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、稀盐酸洗产物聚合物，再用蒸馏水多次洗涤，至洗涤液不含氯离子，真空干燥。将氯甲基化SBHPF-SPAES置于带有搅拌、温度 计以及回流冷凝管的四口瓶中，加入DMAc使其完全溶解，再分别加入1.5g PEGME-750和0.6gNa₂CO₃，于70℃下搅拌反应，反应结束后用乙醇为沉淀剂，使产物(聚乙二醇修饰的磺化聚芳砜衍生物，PEG-SBHPF-SPAES)聚合物析出，再用蒸馏水多次洗涤，真空干燥。
实施例6：制备离子交换聚合物膜
将上述实施例2、4、5中干燥好的产物使用DMAc作为溶剂，配成15％的溶液，倒入自制的成膜磨具中，加入少许DMSO，在烘箱中70℃下，烘干成膜，再缓慢升温至140℃退火处理2h，分别制备膜厚处于50μm-300μm之间的膜。
红外光谱分析 
将实施例1-5的样品分别做红外光谱，实施例1-2的红外光谱列于图1。PAES的红外光谱中，1580、1500、1487cm^-1处出现了苯环的骨架特征峰，3020cm^-1处为苯环上C-H伸缩振动峰，1241、1147cm^-1为O＝S＝O的不对称、对称吸收峰，1009cm^-1处出现了Ar-O-Ar的吸收峰。磺化后，SPAES的红外光谱中，3555cm^-1处出现了磺酸的O-H振动峰，1400cm^-1处为苯环上C-H弯曲振动峰，1327、1280cm^-1处为磺酸中O＝S＝O的不对称、对称吸收峰，1050cm^-1处为S-OH的振动峰。BHPF-PAES的红外光谱中，双键上C-H和C＝C的伸缩振动峰分别出现在3085cm^-1和1647cm^-1，860cm^-1和991cm^-1为双键碳氢。磺化后，SBHPF-SPAES的红外光谱中，3550cm^-1处出现了磺酸的O-H振动峰，1310、1260cm^-1处为磺酸中O＝S＝O的不对称、对称吸收峰，1050cm^-1处为S-OH的振动峰。接枝PEG后，PEG-SBHPF-SPAES的红外光谱中，2962、2884cm^-1处新出现了C-H₂的伸缩振动峰。
力学性能测试 
采用电子万能试验机对实施例1-5的样品和商业Nafion空白膜进行了拉伸性能测试。结果列于表1。
吸水率测试 
室温下，将实施例1-5样品和商业Nafion空白膜浸泡在去离子水中24h， 取出后，仔细擦干表面水分，用分析天平测试其质量，作为饱和吸水状态下质量(M1)。然后，将试样放入真空干燥箱中，在70℃下干燥24h，测试干燥膜的质量(M2)。按式(M1-M2)/M2计算试样的吸水率。
离子交换当量测试
将实施例1-5样品和商业Nafion膜的离子交换当量(IEC)测试(表1)。将所制备的干燥膜样品浸泡在2mol/L的NaCl溶液中8h，使钠离子将磺酸基团中的氢离子交换出来，之后使用0.1mol/L的标准NaOH溶液进行滴定，IEC的计算公式如下：
IEC=VNaOH*NNaOHW]]>
式中V_NaOH是被消耗的NaOH溶液的体积,M_NaOH是NaOH的浓度,W是干膜的重量。
表1 吸水率、IEC、力学性能结果

制备离子交换聚合物膜-金属复合材料(IPMC)
将实施例2-5中制备的薄膜，使用1200目砂纸打磨膜的两面，进行表面粗化处理，然后用蒸馏水超声清洗数次打磨后的膜；之后将膜置于2mol/L的盐酸溶液中煮沸30min以去除膜中的添加剂和离子，之后在去离子水中漂洗干净；然后将膜置于去离子水中煮沸30min以去除使用的酸，并使膜吸水膨胀。将经过前处理的膜置于预先配制的铂铵复合物水溶液([Pt(NH₃)₄]Cl₂,2mg/mL，pH 约为10)在室温下浸泡12h。
将通过离子交换后的膜试样装有去离子水的烧杯中置于42℃水浴中，磁力搅拌。主化学镀反应：每隔30min加入500μL 5％硼氢化钠溶液，共7次，并逐步将温度升高至60℃。次化学镀反应：将经过主化学镀反应的膜再次至于之前的铂铵复合物水溶液中浸泡12h，之后每隔30min加入一定量5％盐酸羟胺溶液和20％水合肼溶液，并逐步升温至60℃。将制备好的样品至于0.2mol/L LiCl溶液中浸泡，备用。
扫描电镜测试 
上述制备的离子交换聚合物膜-金属复合材料4个IPMC薄膜其表面沉积纳米Pt颗粒，用扫描电子显微镜(SEM)观测金属颗粒的粒径和金属层的厚度。其中，PEG-SBHPF-SPAES基IPMC的SEM图片列于图2。
电机械学性能测试
电机械性能测试平台包括信号发生器、力传感器和多功能数据采集卡组成。信号发生器(SP864，南京)可在0～10V电压，0.1～100Hz频率下变换正弦、方波和三角波信号，装置见图4；力传感器(FEMTO-10000，瑞士)量程为10mN，灵敏度为1μN；多功能数据采集卡(NI，6024E)采用Lapview(v14.0)支撑软件，装置见图5。实施例2-5样品IPMC样品的尺寸为20×2×0.33mm³，空气气氛下测试，电致动录像截图列于图6。结果见表2。
表2 实例11中IPMC的电致动性能与相关参数