CN106587016A

CN106587016A - 一种氧化石墨烯湿度响应执行器及其制备方法

Info

Publication number: CN106587016A
Application number: CN201611120573.3A
Authority: CN
Inventors: 赵玮; 陈森; 赵春宝; 朱宪忠; 周志近; 孙可
Original assignee: Nanjing College of Information Technology
Current assignee: Nanjing College of Information Technology
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明涉及一种氧化石墨烯湿度响应执行器，其厚度为3‑6微米，由亲水层和疏水层构成，亲水层和疏水层为一体成型，所述亲水层的材料为氧化石墨烯，厚度为2‑5微米，所述疏水层的材料为还原氧化石墨烯，厚度为1‑2微米。本发明的湿度响应执行器在环境湿度增加时，可依靠氧化石墨烯亲水层吸收水分而膨胀，还原氧化石墨烯疏水层不吸水分而相对紧致，使环境湿度的影响转变为机械应变，达到绿色环保驱动器件的效果，不用消耗有污染的化石燃料，就能为现代微纳电子器件提供执行器的效果，充分体现节能环保的现代消费理念，并且亲水层和疏水层的结合强度高，使用寿命长。

Description

一种氧化石墨烯湿度响应执行器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种湿度响应执行器，尤其是一种氧化石墨烯湿度响应执行器，属于智能信息材料与器件领域。

背景技术

在过去的几十年中，智能响应材料与器件在电子学、光电子学、材料科学、生物化学等领域取得了许多突破性进展，新材料与新器件不断被研发出来。这就引申出了智能响应执行器这一概念。智能响应执行器可以将各种形式的刺激转化为机械形变，在宏观、微观和纳米级上执行工作。作为机器人的一个关键组件，执行器在不同的应用中显示了巨大的潜力，如：机器人、微机械系统(MEMS)、自适应光学、生物学/生物医学设备等。

湿度响应执行器，主要指当环境湿度发生变化时，器件可以产生机械形变，形变带来的力可以做功，因此叫做湿度响应执行器。现有的湿度响应执行器往往采用湿度传感器配合电动执行器，需要复杂的结构且消耗额外的能量；而少量无电源的湿度感应执行器虽然采用亲水层加疏水层的结构，但两层往往是用不同材料经过不同工序获得，两相之间存在明显的分层，导致器件性能下降，循环次数低(使用寿命短)。

自2004年被确认存在以来，作为二维材料代表的石墨烯引起了学术界广泛关注。这种新材料具有较高的功函数，非凡的电子学性能和它与有机分子间强大的π-π相互作用，这些都能降低电极/有机层之间的电子注入势垒，提高器件性能。石墨烯的制备方法主要有化学合成、外延生长、化学气相沉积、微机械剥离、天然石墨氧化还原法、电化学方法等。其中还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)因其制备工艺简单易控，被认为是最有希望工业化的功能性电子材料之一。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术湿度响应执行器的不足，提供一种氧化石墨烯湿度响应执行器，其结构简单，不需要采用传感器，直接由亲水层加疏水层构成，且疏水层为部分亲水层转化而来，不需要额外步骤将二者结合，因此结合力牢固，不存在分层问题，所以使用寿命长。

本发明的另一个目的还在于提供上述氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法。

本发明的原理：本发明人利用氧化石墨烯和还原氧化石墨烯有巨大的亲/疏水性差别，来制备湿度响应执行器。本发明人利用氧化石墨烯上含氧官能团对水分的捕获能力，将氧化石墨烯薄膜应用到湿度响应执行器中。并通过调控氧化石墨烯上官能团的种类与数量及还原层厚度，优化执行器的使用效果。

技术方案

一种氧化石墨烯湿度响应执行器，所述氧化石墨烯湿度响应执行器厚度为3-6微米，由亲水层和疏水层构成，亲水层和疏水层为一体成型，所述亲水层的材料为氧化石墨烯，所述疏水层的材料为还原氧化石墨烯。

进一步，所述亲水层厚度为2-5微米，疏水层厚度为1-2微米。

上述氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法：

(1)制备氧化石墨烯薄膜：制备浓度为1-8mg/mL的氧化石墨烯分散液，将分散液置于真空抽滤装置中，进行抽滤，滤膜上得到的为氧化石墨烯薄膜，控制氧化石墨烯薄膜厚度为3-6微米。

(2)将步骤(1)制得的氧化石墨烯薄膜进行还原处理，即得。

步骤(1)中，所述抽滤操作的时间为0.5-2小时，所用滤膜为聚偏氟乙烯(PVDF)或阳极氧化铝(AAO)。

步骤(2)中，所述还原处理方法为：将氧化石墨烯薄膜置于还原性气体蒸汽中进行熏蒸，熏蒸时间为15-45分钟。所述还原性气体蒸汽选自肼蒸汽、氢碘酸蒸汽或醋酸蒸汽中的任意一种。

步骤(2)中，所述还原处理方法还可以为：将氧化石墨烯薄膜在紫外光下辐照15-90分钟，入射光线角度为90度，垂直入射。也可以采用阳光直接辐照，这样不需要额外电源了，此时通过调节入射光线的角度能控制光密度的大小，进而控制了还原层的厚度，采用阳光直接辐照的话，通常阳光辐照时间为30-90分钟，入射光线角度45-90度。

氧化石墨烯薄膜在受到还原性环境(还原剂的蒸汽或者具有还原效果的紫外光)影响时会转变为疏水的还原氧化石墨烯材料，但这种转变是有厚度限制的，本发明人发现当还原氧化石墨烯到一定厚度(2微米左右)后，黑色且致密的还原氧化石墨烯会隔断还原性蒸汽或者紫外光的进一步影响。因此本申请直接采用氧化石墨烯薄膜亲水层作材料，让其部分转变为疏水层。

本发明的湿度响应执行器以氧化石墨烯为亲水层，还原氧化石墨烯为疏水层。在环境湿度增加时，可依靠氧化石墨烯亲水层吸收水分而膨胀，还原氧化石墨烯疏水层不吸水分而相对紧致，使环境湿度的影响转变为机械应变，达到绿色环保驱动器件的效果。不用消耗有污染的化石燃料，就能为现代微纳电子器件提供执行器的效果，充分体现节能环保的现代消费理念。并且亲水层和疏水层的结合强度高，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的实施例1的湿度响应执行器在干燥环境中的结构示意图；

图2为本发明的实施例1的湿度响应执行器在环境湿度为85％时的结构示意图；

其中1-亲水层，2-疏水层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

(1)制备氧化石墨烯薄膜：制备浓度为5mg/mL的氧化石墨烯分散液，将分散液置于真空抽滤装置中，进行抽滤(抽滤时间为1小时，所用滤膜为PVDF)，滤膜上得到的为氧化石墨烯薄膜。干燥后氧化石墨烯薄膜厚度为4微米。

(2)将步骤(1)制得的氧化石墨烯薄膜进行还原处理：将氧化石墨烯薄膜置于醋酸蒸汽中进行熏蒸，熏蒸时间为25分钟，干燥后即得湿度响应执行器。

该湿度响应执行器在的结构见图1，经检测，亲水层1(氧化石墨烯层)厚度为2微米，疏水层2(还原氧化石墨烯)厚度为2微米。

将该湿度响应执行器进行湿度响应测试，当环境湿度从20％变化到85％时，执行器的弯曲曲率可以到达170度(见图2)，响应时间在1秒，循环次数可达120次。

实施例2

(1)制备氧化石墨烯薄膜：制备浓度为8mg/mL的氧化石墨烯分散液，将分散液置于真空抽滤装置中，进行抽滤(抽滤时间为2小时，所用滤膜为AAO)，滤膜上得到的为氧化石墨烯薄膜。干燥后氧化石墨烯薄膜厚度为5微米。

(2)将步骤(1)制得的氧化石墨烯薄膜进行还原处理：将氧化石墨烯薄膜置于紫外光下辐照，辐照时间为45分钟(入射光线角度为90度，垂直入射)，即得湿度响应执行器。

经检测，该湿度响应执行器的亲水层(氧化石墨烯层)厚度为3微米，疏水层(还原氧化石墨烯)厚度为2微米。

将该湿度响应执行器进行湿度响应测试，当环境湿度从20％变化到70％时，执行器的弯曲曲率可以到达155度，响应时间在1秒，循环次数可达138次。

Claims

1.一种氧化石墨烯湿度响应执行器，其特征在于，所述氧化石墨烯湿度响应执行器厚度为3-6微米，由亲水层和疏水层构成，亲水层和疏水层为一体成型，所述亲水层的材料为氧化石墨烯，所述疏水层的材料为还原氧化石墨烯。

2.如权利要求1所述的氧化石墨烯湿度响应执行器，其特征在于，所述亲水层厚度为2-5微米，疏水层厚度为1-2微米。

3.权利要求1或2所述的氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备氧化石墨烯薄膜：制备浓度为1-8mg/mL的氧化石墨烯分散液，将分散液置于真空抽滤装置中，进行抽滤，滤膜上得到的为氧化石墨烯薄膜，控制氧化石墨烯薄膜厚度为3-6微米；

(2)将步骤(1)制得的氧化石墨烯薄膜进行还原处理，即得。

4.如权利要求3所述的氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述抽滤操作的时间为0.5-2小时，所用滤膜为聚偏氟乙烯或阳极氧化铝。

5.如权利要求3或4所述的氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述还原处理方法为：将氧化石墨烯薄膜置于还原性气体蒸汽中进行熏蒸，熏蒸时间为15-45分钟。

6.如权利要求5所述的氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法，其特征在于，所述还原性气体蒸汽选自肼蒸汽、氢碘酸蒸汽或醋酸蒸汽中的任意一种。

7.如权利要求3或4所述的氧化石墨烯湿度响应执行器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述还原处理方法还可以为：将氧化石墨烯薄膜在紫外光下辐照15-90分钟，入射光线角度为90度，垂直入射。