CN106192452B - 一种光致变形布料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光致变形布料的制备方法，包括：(1)超声剥离改进Hummers法制备的氧化石墨得到氧化石墨烯悬浮液，调节pH值，加入聚丙烯酸钠搅拌，得到溶胶纺丝液；(2)将上述溶胶纺丝液进行湿法纺丝得到氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维，再将纤维沿轴向预旋转，得到扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维；将纤维与布料贴合，即得。本发明的操作方法简单，制备过程方便快速，可规模化生产；所制备的光致变形布料具有稳定的结构和优异的光致变形性能，能够在光照下较快的发生响应，并且这种响应是可逆的，为智能服装、变形衣等领域进一步发展提供了更大的可能。

Description

一种光致变形布料的制备方法
技术领域
本发明属于变形材料领域，特别涉及一种光致变形布料的制备方法。
背景技术
变形材料可以定义为一种材料或者系统，在外界环境诸如光、电、热、气氛、磁场和压力等激发源的刺激下做出能重复的改变位置或形态的响应能力，具有此类性能的材料我们称为刺激变形材料或者致动材料。根据材料的性质不同，致动材料则分为无机致动材料(形状记忆合金、电活性陶瓷等)和有机致动材料(高分子液晶材料、电致动聚合物材料和电活性橡胶等)。而致动材料按其受外界刺激因素不同主要可分为：电致动材料，光致动材料，磁致动材料，热致动材料以及化学环境致动材料等。
近年来，变形材料作为一种人工智能材料越来越受到科研工作者的关注，同其他致动方式相比，光致变形具有可遥控供能，无须导线，驱动力大，变形量大，光驱动清洁、安全，不受电磁干扰等优点。一直以来这种光致变形材料以含有偶氮苯等光敏基团的交联型液晶高分子为研究最多的材料，材料的变形通过偶氮苯基团的光致异构化实现。目前这种材料已经在多种光驱动柔性器件中得到应用，如塑料马达、柔性微机器人、高频振荡器等。但是这类光驱动变形材料常常存在着一些问题，如制备过程中高分子取向工艺复杂，光响应时间长(>10s)，恢复速率慢，重复精度不高(5％～20％)等问题，极大地限制了它的性能和应用。
2004年英国科学家首次分离制备出石墨烯以来，其特殊的结构和优异的性能吸引了广大科研人员的关注。目前，以石墨烯片层为单元制备不同维度的宏观石墨烯基材料已经有大量研究，然而尚无科研人员制备出驱动纺织品变形的石墨烯基材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光致变形布料的制备方法，该方法简单，制备过程方便快速，可规模化生产；所制备的光致变形布料具有稳定的结构和优异的光致变形性能，能够在光照下较快的发生响应，并且这种响应是可逆的，为智能服装、变形衣等领域进一步发展提供了更大的可能。
本发明的一种光致变形布料的制备方法，包括：
(1)超声剥离改进Hummers法制备的氧化石墨得到氧化石墨烯悬浮液，调节pH值，加入聚丙烯酸钠搅拌，得到溶胶纺丝液；其中，溶胶纺丝液中聚丙烯酸钠的质量分数为1～4％；
(2)将上述溶胶纺丝液在室温下进行湿法纺丝得到氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维，再将纤维沿轴向预旋转，得到扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维；将扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维与布料贴合，即得光致变形布料。
所述步骤(1)中的氧化石墨烯悬浮液的浓度为1～3mg/mL。
所述步骤(1)中采用盐酸调节pH值至1～3。
所述步骤(2)中的湿法纺丝采用的凝固浴为80～95wt％乙醇溶液。
所述步骤(2)中的溶胶纺丝液的纺丝速度为30～300mL/h。
所述步骤(2)中的预旋转的捻度为500～1000r/m。
所述步骤(2)中的布料为棉布、麻布、丝绸或尼龙。
本发明的方法为：首先，以改进的Hummers法制备的氧化石墨和聚丙烯酸钠为原材料，通过湿法纺丝的方法制备了光致扭转变形的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维；然后通过将该纤维粘在棉布、麻布、丝绸等纺织品上得到光致变形布料，该方法易操作，成本低，具有广泛的应用前景。
本发明Hummers制备氧化石墨的步骤为：向三口烧瓶中加入石墨粉，加入冰的浓硫酸并搅拌，随后缓慢加入高锰酸钾粉末。搅拌2h后，缓慢加入去离子水，同时使混合液温度升至98℃。随后加入双氧水溶液。将最终得到的混合液进行抽滤，用稀盐酸溶液洗涤，并用大量的蒸馏水洗涤产物至中性，真空干燥，碾磨，得到棕黄色氧化石墨粉末。
本发明将氧化石墨烯和聚丙烯酸钠原位混合之后纺成纤维，再旋转制成扭转纤维，利用聚丙烯酸钠具有强的吸水性，使纤维上的水分子能快速发生脱吸附，同时使纤维有更为敏感的光致动效果。其原理为：当光照时，氧化石墨烯的光热效应使温度快速上升，纤维上的水分子脱附，纤维发生扭转角度增大而旋转，同时纤维缩短，当纤维被粘贴到布料上时，就会驱使布料发生弯曲变形；当移去光照时，纤维吸附空气中的水分子，纤维的扭转角度减小而旋转，同时将粘贴要该纤维的布料会恢复到原来的形态。
本发明提供了一种光致变形布料的制备方法，该方法制备的布料在近红外光照射下能发生变形，当撤去光照时布料时能恢复到原来的状态，该方法为智能服装、变形衣等领域进一步发展提供了更大的可能。
有益效果
(1)本发明的操作方法简单，制备过程方便快速，可规模化生产；
(2)本发明所制备的光致变形布料具有稳定的结构和优异的光致变形性能，能够在光照下较快的发生响应，并且这种响应是可逆的，为智能服装、变形衣等领域进一步发展提供了更大的可能。
附图说明
图1为本发明扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维的制备过程；
图2为实施例1中扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维的SEM图，捻度600r/m；
图3为实施例1中单根扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维在红光下的光驱动旋转情况；
图4为实施例1中单根扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维在红光下的光驱动变形示意图；
图5为实施例1中制备的长5cm的变形布料的光照变形示意图；
图6为实施例2中制备的长15cm的变形布料的光照变形示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取为0.10g氧化石墨，配制50mL浓度为2mg/mL的氧化石墨烯悬浮液，超声剥离得到氧化石墨烯溶液，用盐酸调节pH值至1。加入1.00g聚丙烯酸钠粉末，磁力搅拌2天，得到分散均匀的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠溶胶纺丝液，其中聚丙烯酸钠的质量分数为2wt％。如图1所示，将上述溶胶纺丝液加入注射器中，通过推进器将溶胶纺丝液注入90wt％的乙醇溶液中，即得氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维；取出氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维，固定其中一端，沿着纤维轴向预旋转得到捻度为600r/m的扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维，图2是本实施例扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维的扫描电镜图。可以看出，纤维表面的结构较为连续平整，说明氧化石墨烯的加入对于加强改善纤维结构有较为明显的表现；同时，从图中可以发现捻度为600r/m的纤维的扭转角度约为25°。图3和图4分别给出了单根扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维光照变形数码照片和机理图：从图3可以看出，该纤维在光照时会发生转动，撤去光照时回旋到原来的状态。产生转动的机理是：光照射时，由于石墨烯的光热效应，使纤维的温度升高，纤维里的水分子产生脱附引起纤维转动，当撤去光照时，水分子又被吸水性很强的聚丙烯酸钠和氧化石墨烯吸附而恢复到原来的状态。将该扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维粘贴到长约5cm，宽约3cm的棉布上，光照射时，棉布可以产生如图5所示的变形效果。该变形的布料为智能服装、变形衣的发展提供了可能。
实施例2
称取为0.10g氧化石墨，配制50mL浓度为2mg/mL的氧化石墨烯悬浮液，超声剥离得到氧化石墨烯溶液，用盐酸调节pH值至1。加入1.00g聚丙烯酸钠粉末，磁力搅拌2天，得到分散均匀的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠溶胶纺丝液，其中聚丙烯酸钠的质量分数为2wt％。将上述溶胶纺丝液加入注射器中，通过推进器将溶胶纺丝液注入90wt％的乙醇溶液中，即得氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维；取出氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维，固定其中一端，沿着纤维轴向预旋转得到捻度为800r/m的扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维。将该扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维粘贴到长约15cm，宽约4cm的棉布上，光照射时，棉布可以产生如图6所示的变形效果。

Claims (6)

1.一种光致变形布料的制备方法，包括：
(1)超声剥离改进Hummers法制备的氧化石墨得到氧化石墨烯悬浮液，调节pH值，加入聚丙烯酸钠搅拌，得到溶胶纺丝液；其中，溶胶纺丝液中聚丙烯酸钠的质量分数为1～4％；氧化石墨烯悬浮液的浓度为1～3mg/mL；
(2)将上述溶胶纺丝液在室温下进行湿法纺丝得到氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维，再将纤维沿轴向预旋转，得到扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维；将扭转的氧化石墨烯/聚丙烯酸钠纤维与布料贴合，即得光致变形布料。
2.根据权利要求1所述的一种光致变形布料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用盐酸调节pH值至1～3。
3.根据权利要求1所述的一种光致变形布料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的湿法纺丝采用的凝固浴为80～95wt％乙醇溶液。
4.根据权利要求1所述的一种光致变形布料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的溶胶纺丝液的纺丝速度为30～300mL/h。
5.根据权利要求1所述的一种光致变形布料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的预旋转的捻度为500～1000r/m。
6.根据权利要求1所述的一种光致变形布料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的布料为棉布、麻布、丝绸或尼龙。
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