CN108724867B - 一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器、制备方法及应用 - Google Patents

一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，包括柔性的聚合物膜，所述聚合物膜的一侧面上设有石墨烯膜，所述石墨烯膜为多层结构，且相邻石墨烯层间形成有微气孔；光照或电压刺激时，该驱动器弯曲变形。本发明还公开了该驱动器的制备方法及应用。本发明的优点在于，利用多孔石墨烯的电热转化功能、光热转换功能实现驱动器对电压刺激、光照刺激的响应，本发明的优点在于，获得双刺激源响应的驱动器，提高了驱动器的环境适应性；由聚合物受热膨胀变形、石墨烯微孔收缩变形共同引起驱动器的弯曲变形，展现出较大的力学性能，扩大了驱动器的应用范围，改善其使用效果。该驱动器可用于仿蠕虫机器人、机械手、人工关节、智能驱动等领域。

Description

一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器、制备方法及应用
技术领域
本发明属于柔性驱动器与软体装置领域，具体涉及一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器、制备方法及应用。
背景技术
由柔性智能材料组成的驱动器件能够在电、热、化学、湿度等外界刺激下发生特定响应，在大范围内改变自身形状和尺寸，具有柔软灵活、体积小、质量轻、变形快和环境适应性好等诸多优点，因而被广泛地应用于仿生机器人、人造肌肉、传感器、智能开关等领域中。但目前研究的驱动器一般都只能由一种刺激驱动，而不能同时对多种刺激产生响应，导致其环境适应性不高；并且现有的柔性驱动器普遍存在力学输出性能较差的问题，使其应用受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有柔性驱动器只能对单一刺激产生响应，且力学输出性能不佳。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，包括柔性的聚合物膜，所述聚合物膜的一侧面上设有石墨烯纸，所述石墨烯纸为多层结构，且相邻石墨烯层间形成有微气孔；光照或电压刺激时，该驱动器弯曲变形。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，所述石墨烯纸粘接在聚合物膜上。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，所述石墨烯纸的厚度为10～200um。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，所述聚合物膜的厚度为20～300um。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，所述聚合物膜由聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种聚合物制备而成。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，所述光照为激光、氙灯产生的模拟太阳光、太阳光。
本发明提供了一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备方法，用以制备上述的双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯分散液均匀地滴覆在玻璃基片上，干燥后形成多层结构的氧化石墨烯纸；
(2)避光条件下，将氧化石墨烯纸浸入氢碘酸溶液中还原，得到还原的氧化石墨烯纸；
(3)将还原的氧化石墨烯纸分别置于去离子水和乙醇溶液中洗涤，然后烘干；
(4)准备一单面带黏性的聚合物膜，将干燥后的还原的氧化石墨烯纸与该聚合物膜粘接，形成双层膜结构；
(5)在双层膜结构上施加直流电压，使多层石墨烯之间形成微气孔结构。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备方法，步骤(1)中所述石墨烯分散液浓度为0.5mg/ml～5mg/ml；步骤(1)中的干燥温度为40～70℃；所述步骤(3)中的烘干温度为30～80℃。
本发明还提供了一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的应用。
优选地，本发明所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的应用，所述驱动器在仿蠕虫爬行机器人、柔性机械爪、仿生手及踢球机器人中的应用。
本发明技术有益效果：
本发明技术方案中利用微孔石墨烯纸具有优良的导电性能和吸光性能特点，实现驱动器对电压或光源刺激的响应，获得双刺激源响应的驱动器，提高了驱动器的环境适应性；由聚合物受热膨胀变形、石墨烯微孔收缩变形共同引起驱动器的弯曲变形，展现出较大的力学性能，扩大了驱动器的应用范围，改善其使用效果；
本发明所述的驱动器的制备方法操作简单、易于实现，对操作者、所用试剂及设备均无严苛要求，适用于大量制备。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的结构示意图；
图2为本实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的扫描电镜照片；
图3为本实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的电阻率测试结果图；
图4为本实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器在光照或电压刺激下产生弯曲变形的原理示意图；
图5为本实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器在光照刺激下产生弯曲变形的示意图；
图6为本实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器在电压刺激下产生弯曲变形的示意图；
图7为本实施例所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器制备而成的机械爪在电压作用下产生弯曲变形的结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
参阅图1，本发明公开的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，包括柔性的聚合物膜1，所述聚合物膜1的一侧面上设有石墨烯纸2，所述石墨烯纸2为多层结构，且相邻石墨烯层间形成有微气孔3；光照或电压刺激时，该驱动器弯曲变形。
本实施例中，所述石墨烯纸2粘接在聚合物膜1上；且所述石墨烯纸2的厚度为10～200um。所述聚合物膜1的厚度为20～300um。
具体地，所述聚合物膜1由聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种聚合物制备而成。该类聚合物具有优良的机械性能、高热膨胀性能，且价格低廉，在节约成本的同时，保证驱动器的力学性能。
所述光照为激光、疝灯产生的模拟太阳光、太阳光。
电驱动具有操作简单、易于存储、可控性强的优点。光驱动具有无线驱动、远程控制，且不与驱动器接触的特点，通过结合这两种刺激源的独特功能，能够有效提高驱动器的性能和应用范围。而石墨烯的导电性能优异，且可进行光热转换，因此本实施例所述的驱动器利用石墨烯层进行电热转换或光热转换，实现驱动器对电压、光照的响应。
下面通过具体实施例来详细说明该双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备过程。
实施例一
一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备方法，包括以下步骤：
(1)吸取10ml氧化石墨烯分散液均匀地滴覆玻璃基片上，在60℃下干燥形成多层结构的石墨烯纸；
(2)避光条件下，将所得石墨烯纸浸入氢碘酸中还原1h，制成还原的氧化石墨烯纸；
(3)将还原的氧化石墨烯纸从玻璃基片上取下，然后反复地置于去离子水和乙醇溶液中洗净残留的氢碘酸，40℃下干燥；
(4)准备一单面带黏性的聚酰亚胺胶带，其厚度为60um，将干燥后的还原的氧化石墨烯纸与之粘接，形成双层膜结构；将该双层膜结构裁切成U型；
(5)在U型双层结构的石墨烯纸的两端施加15V直流电压产生焦耳热，使多层石墨烯之间形成微气孔结构，得到多孔石墨烯驱动器。
本实施例所使用氧化石墨烯分散液购自南京XFNANO材料科技有限公司，浓度为2mg/ml。
如图2所示为本实施例制得的驱动器的扫描电镜照片，从该照片中可清晰地看到石墨烯纸2为多层结构，且层与层之间形成有微孔3。图3为本实施例制得的驱动器的电阻率测试结果图，其线性关系良好。
参阅图4，向该驱动器施加电压或光照时，所述石墨烯纸2进行电热或光热转化，引起微孔3的收缩变形，同时聚酰亚胺膜层受热膨胀，使得驱动器弯曲变形。
图5给出该驱动器在光照刺激下产生弯曲变形的示意图；图6给出该驱动器在电压刺激下产生弯曲变形的示意图。
需要说明的是，本实施例步骤(1)中的干燥温度可以根据需要在40～70℃间调节，步骤(3)中的干燥温度在30～80℃间调节；所述石墨烯分散液的浓度选自0.5～5mg/ml；所述石墨烯纸2的厚度选自10～200um，所述聚合物膜的厚度选自20～300um。
实施例二
一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备方法，包括以下步骤：
(1)吸取20ml氧化石墨烯分散液均匀地滴覆玻璃基片上，在60℃下干燥形成多层结构的石墨烯纸；
(2)避光条件下，将所得石墨烯纸浸入氢碘酸中还原1h，制成还原的氧化石墨烯纸；
(3)将还原的氧化石墨烯纸从玻璃基片上取下，然后反复地置于去离子水和乙醇溶液中洗净残留的氢碘酸，40℃下干燥；
(4)准备一单面带黏性的聚乙烯胶带，将干燥后的还原的氧化石墨烯纸与之粘接，形成双层膜结构；将该双层膜结构裁切呈U形；
(5)在U形双层结构的石墨烯纸上施加直流电压产生焦耳热，使多层石墨烯之间形成微气孔结构，得到驱动器。
本实施例所使用氧化石墨烯分散液购自南京XFNANO材料科技有限公司，浓度为1mg/ml。
本实施例所述的双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器能够在光照或电压下产生可控的弯曲变形，其具有多种用途，例如，将其应用于仿蠕虫爬行机器人、仿生手、踢球机器人、柔性机械爪等。
下面以柔性机械爪为例介绍该驱动器的应用。
制备四个驱动器，将其一端固定于基板4上，形成一四爪结构，给四个驱动器施加电压，如图7所示，随着电压加载时间的延长，驱动器发生变形，并最终向内弯曲，以抓取物件，电压断开后，驱动器恢复原状。
本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，包括柔性的聚合物膜，所述聚合物膜的一侧面上设有石墨烯纸，所述石墨烯纸为多层结构，且相邻石墨烯层间形成有微气孔；光照或电压刺激时，该驱动器弯曲变形。
2.根据权利要求1所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，所述石墨烯纸粘接在聚合物膜上。
3.根据权利要求1所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，所述石墨烯纸的厚度为10～200um。
4.根据权利要求1所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，所述聚合物膜的厚度为20～300um。
5.根据权利要求1或4所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，所述聚合物膜由聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种聚合物制备而成。
6.根据权利要求1所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，所述光照为激光、疝灯产生的模拟太阳光、太阳光。
7.一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备方法，用以制备如权利要求1-6任一项所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯分散液均匀地滴覆在玻璃基片上，干燥后形成多层结构的氧化石墨烯纸；
(2)避光条件下，将氧化石墨烯纸浸入氢碘酸溶液中还原，得到还原的氧化石墨烯纸；
(3)将还原的氧化石墨烯纸分别置于去离子水和乙醇溶液中洗涤，然后烘干；
(4)准备一单面带黏性的聚合物膜，将干燥后的还原的氧化石墨烯纸与该聚合物膜粘接，形成双层膜结构；
(5)在双层膜结构上施加直流电压，使多层石墨烯之间形成微气孔结构。
8.根据权利要求7所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述石墨烯分散液浓度为0.5mg/ml～5mg/ml；步骤(1)中的干燥温度为40～70℃；所述步骤(3)中的烘干温度为30～80℃。
9.如权利要求1-6任一项所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的应用。
10.根据权利要求9所述的一种双刺激源响应的多孔石墨烯驱动器的应用，其特征在于，所述驱动器在仿蠕虫爬行机器人、柔性机械爪、仿生手及踢球机器人中的应用。
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