CN106773143A - 一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜及其制备和应用 - Google Patents

一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜及其制备和应用，N‑异丙基丙烯酰胺凝胶填充在石墨烯薄膜的微孔内形成石墨烯/NIPAAm复合薄膜。采用氢碘酸还原，使用近红外光照射获得具有三维网络结构的石墨烯薄膜；将三维网络结构的石墨烯薄膜浸泡于NIPAAm溶液中填充，最后干燥即可得到石墨烯/NIPAAm复合薄膜。本发明的制备方法简单方便，可规模化生产，所获得的近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜具有很好的柔性和稳定的光致变形性能，在光驱动器、人造肌肉和光机械系统等领域具有重要应用价值。

Description

一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜及其制备和 应用
技术领域
本发明属于光致变形材料及其制备和应用领域，特别涉及一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜及其制备和应用。
背景技术
随着科学技术的发展，智能变形材料在远程非接触控制、机器人、航空航天及生物医疗等领域得到广泛应用。根据对不同外部环境变化产生的响应可将智能变形材料分类为：电致变形材料、磁致变形材料、光致变形材料等等。
光致变形材料是指利用光的照射使材料发生畸变现象，具有可以抵抗电磁干扰、清洁高效等优点，已经在人工肌肉、光驱动器及光机械系统得到了应用。常见的光致变形材料包括：偶氮苯化合物，手性高分子聚合物和镍钛形状记忆合金。但这类材料也存在许多缺点，如有机材料耐辐照性较差，使用寿命短，稳定性差；形状记忆合金材料机械形变量小，变形所需光强大等等，这些都对光致变形材料的应用带来限制和挑战。
石墨烯具有理想的二维周期结构，是构建其它维数碳材料的基本单元。自2004年英国科学家首次成功分离出以来，石墨烯得到了广泛的关注和研究。由于具有高导电性、高导热性、高强度和多变可调的形态特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜及其制备和应用，本发明的制备方法简单方便，可规模化生产，本发明所制备的近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜具有三维网络结构，相比其他石墨烯薄膜在材料柔韧性方面得到了极大提高。
本发明的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜，N-异丙基丙烯酰胺凝胶填充在石墨烯薄膜的微孔内形成石墨烯/NIPAAm复合薄膜；其中石墨烯薄膜为多孔的三维网络结构石墨烯薄膜。
所述石墨烯/NIPAAm复合薄膜的厚度为30-50μm，具有多孔疏松的结构和稳定的光致变
形性能。
本发明的一种近红外致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，包括：
(1)将氧化石墨超声剥离分散在去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后倒入平整的蒸发皿内，烘干，得到氧化石墨烯薄膜；
(2)用氢碘酸浸泡还原氧化石墨烯薄膜，经去离子水水洗，干燥，然后用近红外光辐照，得到具有三维网络结构的石墨烯薄膜；
(3)将具有三维网络结构的石墨烯薄膜浸泡于NIPAAm溶液中搅拌，使NIPAAm凝胶充分填充于石墨烯薄膜的微孔内，干燥，即得近红外致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜。
所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液的浓度为2～10mg/mL，用量为50～100mL。
所述步骤(1)蒸发皿为PTFT材质。
所述步骤(1)中超声剥离分散时间为1-2h；烘干为烘箱中烘干，温度为40～80℃，时间为6～8h。
所述步骤(2)中浸泡时间为1～2h；近红外光的功率密度为5～500mW/cm2，辐照时间为10～30s。
所述步骤(3)中NIPAAm溶液的浓度为80～120mg/mL。
所述步骤(3)中搅拌时间为12～24h。
本发明的一种近红外致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的应用，石墨烯/NIPAAm复合薄膜在近红外光的照射下致变形，关闭近红外光后恢复原状，应用于光驱动器、人造肌肉、光机械系统领域。
通过改变氧化石墨烯分散液的浓度、蒸发皿的面积大小和近红外光辐照成孔时的强度可以实现对近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜厚度的控制。氧化石墨烯薄膜经氢碘酸浸泡还原以后，采用近红外光照射，迅速加热薄膜使其内部残余氢碘酸热分解产生碘单质，并以碘蒸汽的形式从薄膜内部迅速挥发出来，从而打开层与层的结构同时形成大量微孔，微孔供具有热收缩效应的NIPAAm凝胶进行填充。制备得到的石墨烯/NIPAAm复合薄膜在近红外光照射情况下会迅速吸热，造成表面附着和内部填充的NIPAAm发生收缩，从而达到材料宏观的近红外光致变形现象。
有益效果
(1)本发明的制备方法简单方便，可规模化生产；
(2)本发明所制备的近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜具有三维网络结构，相比其他石墨烯薄膜在材料柔韧性方面得到了极大提高；
(3)本发明所制备的近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜能在近红外光照射下变形，响应快速、变形明显、循环稳定性良好，在柔性电致动器、人造肌肉和光机械系统等领域具有重要应用价值。
附图说明
图1为实施例1中石墨烯薄膜和三维网络结构石墨烯薄膜两个断面的SEM图；其中(a)为石墨烯薄膜断面；(b)为三维网络结构石墨烯薄膜断面；
图2为实施例1中氧化石墨烯薄膜(GO膜)、石墨烯薄膜(rGO膜)和三维网络结构石墨烯薄膜(3D rGO膜)的拉伸力学测试结果；
图3为实施例2中氧化石墨烯薄膜和氢碘酸还原薄膜的XRD图谱，其中a为氧化石墨烯薄膜图谱；b为氢碘酸还原薄膜的XRD图谱；
图4为近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜在近红外光照射下的变形效果展示图；其中a为复合薄膜原状；b为近红外光的照射下5s内变形；c为关闭近红外光后在5s内恢复原状。
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
利用氧化石墨粉末为原料，配制5mg/mL的氧化石墨溶液80mL，经超声剥离分散1.5h得到氧化石墨烯分散液；倾倒至平整的PTFT材质蒸发皿中；置于水平的60℃烘箱内进行蒸发成膜，蒸发时间为7h；取出蒸发皿置于室温冷却，用镊子将氧化石墨烯薄膜揭下；
将上述得到的氧化石墨烯薄膜用40mL氢碘酸浸泡1.5h进行还原；用去离子水水洗、自然
干燥；将还原得到的薄膜剪成细条状，并在室温下使用功率密度为300mW/cm2的近红外
光灯辐照20s，得到具有三维网络结构的石墨烯薄膜；
将具有三维网络结构的石墨烯薄膜浸泡于浓度为100mg/mL的NIPAAm溶液中搅拌20h，使NIPAAm凝胶充分填充于石墨烯薄膜的微孔内，干燥得到近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜。
从图1可以看出，氢碘酸还原得到的石墨烯薄膜层间紧密，薄膜厚度大约13μm；经近红外光辐照成孔以后，石墨烯薄膜层间结构打开，薄膜厚度大约40μm。从图2可以看出，相较于氧化石墨烯薄膜和氢碘酸还原得到的石墨烯薄膜，近红外光照射成孔得到的三维网络结构石墨烯薄膜在柔性方面得到了很大改善。
实施例2
利用氧化石墨粉末为原料，配制5mg/mL的氧化石墨溶液100mL，经超声剥离分散2h得到氧化石墨烯分散液；倾倒至平整的PTFT材质蒸发皿中；置于水平的60℃烘箱内进行蒸发成膜，蒸发时间为8h；取出蒸发皿置于室温冷却，用镊子将氧化石墨烯薄膜揭下；
将上述得到的氧化石墨烯薄膜，用50mL氢碘酸浸泡2h进行还原；用去离子水水洗、自然干燥；将还原得到的薄膜剪成细条状，并在室温下使用功率密度为400mW/cm2的近红外光灯辐照15s，得到具有三维网络结构的石墨烯薄膜；
将具有三维网络结构的石墨烯薄膜浸泡于浓度为100mg/mL的NIPAAm溶液中搅拌24h，使NIPAAm凝胶充分填充于石墨烯薄膜的微孔内，干燥得到近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜，薄膜厚度为46μm。
图3中a和b分别展示的是氧化石墨烯薄膜和氢碘酸还原薄膜的XRD图谱，2θ＝11.0°处出现的XRD特征峰，是氧化石墨(001)晶面的衍射特征峰；2θ＝26.5°处出现的特征峰是石墨(002)晶面的衍射特征峰。
实施例3
利用氧化石墨粉末为原料，配制5mg/mL的氧化石墨溶液80mL，经超声剥离分散1.5h得到氧化石墨烯分散液；倾倒至平整的PTFT材质蒸发皿中；置于水平的50℃烘箱内进行蒸发成膜，蒸发时间为8h；取出蒸发皿置于室温冷却，用镊子将氧化石墨烯薄膜揭下；
将上述得到的氧化石墨烯薄膜，用40mL氢碘酸浸泡1.5h进行还原；用去离子水水洗、自然干燥；将还原得到的薄膜剪成细条状，并在室温下使用功率密度为200mW/cm2的近红外光灯辐照25s，得到具有三维网络结构的石墨烯薄膜；
将具有三维网络结构的石墨烯薄膜浸泡于浓度为100mg/mL的NIPAAm溶液中搅拌20h，使NIPAAm凝胶充分填充于石墨烯薄膜的微孔内，干燥得到近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜，薄膜厚度为42μm。
图4演示的是石墨烯/NIPAAm复合薄膜在近红外光照射下的宏观效果图，可以看出，所制备得到的石墨烯/NIPAAm复合薄膜在近红外光的照射下5s内就可以完成14.4°的弯曲变形，关闭近红外光后在5s内可恢复原状。

Claims (10)

1.一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜，其特征在于：N-异丙基丙烯酰胺凝胶填充在石墨烯薄膜的微孔内形成石墨烯/NIPAAm复合薄膜；其中石墨烯薄膜为多孔的三维网络结构石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜，其特征在于：所述石墨烯/NIPAAm复合薄膜的厚度为30-50μm。
3.一种如权利要求1所述的近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，包括：
(1)将氧化石墨超声剥离分散在水中，得到氧化石墨烯分散液，然后倒入蒸发皿内，烘干，得到氧化石墨烯薄膜；
(2)用氢碘酸浸泡氧化石墨烯薄膜，水洗，干燥，然后用近红外光辐照，得到具有三维网络结构的石墨烯薄膜；
(3)将具有三维网络结构的石墨烯薄膜浸泡于NIPAAm溶液中搅拌，干燥，即得近红外致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液的浓度为2～10mg/mL，用量为50～100mL。
5.根据权利要求3所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)蒸发皿为PTFT材质。
6.根据权利要求3所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中超声剥离分散时间为1～2h；烘干为烘箱中烘干，温度为40～80℃，时间为6～8h。
7.根据权利要求3所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中浸泡时间为1～2h；近红外光的功率密度为5～500mW/cm2，辐照时间为10～30s。
8.根据权利要求3所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中NIPAAm溶液的浓度为80～120mg/mL。
9.根据权利要求3所述的一种近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中搅拌时间为12～24h。
10.一种如权利要求1所述的近红外光致变形石墨烯/NIPAAm复合薄膜的应用，其特征在于：石墨烯/NIPAAm复合薄膜在近红外光的照射下致变形，关闭近红外光后恢复原状，应用于光驱动器、人造肌肉、光机械系统领域。
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