CN108755243B - 一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，先采用在纤维素纸上绘制蜡墙的方式绘制促动器形状；然后滴加导电聚合物PEDOT:PSS溶液，并借助有机玻璃板在常温下干燥，制备PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；在PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料上滴加Fe3O4纳米颗粒悬浮液，并借助有机玻璃板常温干燥后取下，制备得到Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；根据折叠变形设计需要，沿蜡墙图案将Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料剪下，在一侧贴上透明胶带，制成柔性Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料折叠促动器；本发明方法较为简单，可在湿‑热‑光‑电‑磁多物理场刺激下发生可逆回复的促动变形响应。

Description

一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法
技术领域
本发明属于柔性促动器技术领域，具体涉及一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法。
背景技术
柔性促动器是一种具有较大自由度，并且可以产生弯曲、扭转及折叠等柔性机械变形的新型促动器，柔性促动器通过不同种类的外部刺激发生响应变形，并将电能、热能等内部能量转换成宏观机械变形能，同时它还具有响应快、大变形、能耗低等优点。因此，柔性促动器被广泛用于人造肌肉、软机器人、折纸等新兴科技领域。
柔性致动器主要由柔软或具有弹性的合成材料制成，合成材料主要包括水凝胶、弹性体、高分子聚合物等材料，但是它们一般造价相对昂贵，合成过程比较复杂并会产生一定的污染。
纤维素纸是一种丰富、低成本、可折叠、可打印的生物降解环保型材料，同时它还具有轻质、生物友好性/相容性及微结构多孔超亲水等特点。若能利用纤维素纸来制备柔性促动材料，对于柔性促动器的研究及应用拓展具有重要意义，但是目前这方面的工作相对较少，尤其是柔性Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料折叠促动器，至今未见报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，采用Fe3O4纳米颗粒、PEDOT:PSS、纤维素纸及透明胶带等多材料复合，可实现湿-热-光-电-磁多物理场刺激下响应变形。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用在纤维素纸上绘制蜡墙的方式绘制促动器形状；
S2、在步骤S1制备的涂有蜡墙图案的纤维素纸上滴加导电聚合物PEDOT:PSS溶液，并借助有机玻璃板在常温下干燥，制备PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；
S3、在步骤S2制备的PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料上滴加Fe3O4纳米颗粒悬浮液，并借助有机玻璃板常温干燥后取下，制备得到Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；
S4、根据折叠变形设计需要，沿蜡墙图案将步骤S3制备的Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料剪下，在一侧贴上透明胶带，制成柔性Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料促动器。
所述的步骤S1中采用的纤维素纸为纤维素层析纸或纤维素滤纸。
所述的步骤S1中利用浸透纤维素纸的石蜡图案来形成“蜡墙”，利用石蜡的疏水性来保证后续滴加的溶液均匀分布在蜡墙图案之外区域。
所述的步骤S1中利用外裹加热丝、内含石蜡的笔芯，通过涂写的方式来绘制石蜡图案。
所述的加热丝通电产热使笔芯内石蜡融化并在笔芯内保持液态，利用笔芯在纤维素纸正反两面相同位置涂写石蜡图案来确保石蜡浸透纸张。
所述的步骤S3中滴加的Fe3O4纳米颗粒悬浮液，其制备方法是，将Fe3O4纳米颗粒加入含有四甲基氢氧化铵作为活性剂的去离子水中，并搅拌至混合均匀，最终制备而成。
所述的四甲基氢氧化铵与Fe3O4纳米颗粒的质量之比为1:3，Fe3O4纳米颗粒在最终悬浊液中所占质量分数根据需要进行调配，为保证磁响应促动效果，Fe3O4纳米颗粒质量分数大于20％；制备方法是：首先在去离子水中加入定量的四甲基氢氧化铵，随后利用搅拌器以2000rmp速率搅拌两小时；待四甲基氢氧化铵在溶液中完全扩散开后，加入Fe3O4纳米颗粒，继续搅拌一小时使溶液混合均匀。
所述的Fe3O4纳米颗粒的直径为20nm。
所述的步骤S2、S3中的干燥，是在常温条件下给纤维素纸四周方向设计外部预紧拉力，然后置于干燥区域悬空进行，以避免干燥过程中纤维素纸出现起皱现象。
所述的步骤S4中粘贴的透明胶带，具有疏水性，不会因为湿度改变而产生形变。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明方法较为简单，该促动器可在湿-热-光-电-磁多物理场刺激下发生可逆回复的促动变形响应。
由于双层膜结构一侧亲水，另一侧疏水，在湿度发生变化时，就会沿薄膜厚度方向引起湿度的梯度变化，因湿胀效应造成薄膜沿厚度方向产生应变差，从而导致薄膜结构产生可恢复的弯曲、扭转、翘曲等变形响应。PEDOT:PSS具有较好的亲水性，同时结合纤维素纸的多孔微结构特性，可以使得纸基复合薄膜材料对湿度变化产生快速变形响应(5s～15s可达稳定变形)；PEDOT:PSS具有较好的导电性和光热转换效应，在一定频谱的光照和电刺激下会将光能和电能转化为热能，引起薄膜本身温度变化，使得亲水侧薄膜的湿度沿厚度方向发生梯度变化，从而导致促动变形，环境的温度变化也会直接引起薄膜的促动变形响应；由于Fe3O4磁性纳米颗粒的嵌入，使得在外界磁场作用下对该薄膜进行变形或刚性定向运动操作。结合折纸技术的折痕设计，可构建多用途折叠促动器。
本发明利用纤维素纸多孔亲水的特性，使其先后吸收PEDOT:PSS溶液以及Fe3O4纳米颗粒悬浊液，干燥后便可得到Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料，方法简便易行，可用于批量生产；制备的Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料具有良好并且稳定的导电、磁性、多孔亲水性及光热转换特性，结合折纸的折痕设计，可实现多功能化的智能控制器件，具有广阔市场前景。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明实施例1的Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料的扫描电镜图片。
图3a为本发明实施例1的典型折叠促动器及其促动变形图，图3b为本发明实施例2的典型折叠促动器及其促动变形图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述，需要理解的是，实施例仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1，参照图1，一种多物理场刺激下的纸基弯曲促动器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在长宽比为15cm/15cm的Whatman 1级纤维素层析纸上绘制长宽比为10cm/2cm的长方形蜡墙2，并以一条宽边中点为起点，沿着平行长边的方向绘制一条长为9cm的石蜡线段，以此构建U型流体通道；
S2、用胶带将涂有蜡墙2的Whatman层析纸四周固定在中间被切除的有机玻璃4上，对层析纸预紧拉力的同时使具有石蜡图案的区域悬空；
在绘制的U型通道内按125μl/cm2的标准滴加PEDOT:PSS Clevios PH 1000溶液5，并在常温环境下风干，干燥后图案内便得到PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；
S3、在干燥后的PEDOT:PSS/纤维素纸复合材料上按125μl/cm2的标准滴加质量分数为25％的Fe3O4纳米颗粒悬浮液6，然后置于常温环境通风干燥后，得到Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料1，在Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料1一侧粘上厚度为40μm的Scotch胶带3，最终获得Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料促动器；Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料1的扫描电镜图片如图2所示，表明(由于氢键作用)Fe3O4纳米颗粒可以很好的附着在网状纤维表面；
S4、沿着石蜡图案剪去多余部分便可得到一种可发生简单往复弯曲变形的Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料促动器，如图3a所示。
实施例2，参照图1，一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，包括以下步骤：
S1、裁剪出一张边长为6cm的正方形Whatman 1级层析纸，使用铅笔在层析纸上绘制如图3b所示的大小正三角形图案(边长分别为5cm和2.5cm)的蜡墙2；
S2、用胶带将涂有蜡墙2的Whatman层析纸四周固定在中间被切除的有机玻璃4上，对层析纸施加轻微预紧拉力以避免起皱现象，然后按125μl/cm2的标准均匀滴加PEDOT:PSSClevios PH 1000溶液5，并在常温环境下风干，干燥后便得到PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；
S3、在干燥后的PEDOT:PSS/纤维素纸复合材料上按75μl/cm2的标准滴加质量分数为30％的Fe3O4纳米颗粒悬浊液6，并在常温下风干，干燥后图案内便可得到Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料1，Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料1的扫描电镜图片如图2所示，表明(由于氢键作用)Fe3O4纳米颗粒可以很好的附着在网状纤维表面；
S4、在Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料1薄膜一侧，沿小正三角图案区域(这里定义为折痕区域)，粘上厚度为40μm、宽度为5mm的3M Scotch透明胶带3，然后沿着大正三角形图案剪去多余部分便可得到一种可实现简单抓取的Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料折叠促动器，如图3b所示；在湿度、温度、近红外激光照射的物理刺激下，该促动器可沿着小三角形折痕区域发生折叠变形，实现其他的小型物体的抓取，并通过外在磁场作用实现输运功能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用在纤维素纸上绘制蜡墙的方式绘制促动器形状；
S2、在步骤S1制备的涂有蜡墙图案的纤维素纸上滴加导电聚合物PEDOT:PSS溶液，并借助有机玻璃板在常温下干燥，制备PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料；
S3、在步骤S2制备的PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料上滴加Fe3O4纳米颗粒悬浮液，并借助有机玻璃板常温干燥后取下，制备得到Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料后；
S4、根据折叠变形设计需要，沿蜡墙图案将步骤S3制备的Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料剪下，在一侧贴上透明胶带，制成柔性Fe3O4/PEDOT:PSS/纤维素纸基复合材料促动器；
所述的步骤S3中滴加的Fe3O4纳米颗粒悬浮液，其制备方法是，将Fe3O4纳米颗粒加入含有四甲基氢氧化铵作为活性剂的去离子水中，并搅拌至混合均匀，最终制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中采用的纤维素纸为纤维素层析纸或纤维素滤纸。
3.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中利用浸透纤维素纸的石蜡图案来形成“蜡墙”，利用石蜡的疏水性来保证后续滴加的溶液均匀分布在蜡墙图案之外区域。
4.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中利用外裹加热丝、内含石蜡的笔芯，通过涂写的方式来绘制石蜡图案。
5.根据权利要求4所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的加热丝通电产热使笔芯内石蜡融化并在笔芯内保持液态，利用笔芯在纤维素纸正反两面相同位置涂写石蜡图案来确保石蜡浸透纸张。
6.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的四甲基氢氧化铵与Fe3O4纳米颗粒的质量之比为1:3，Fe3O4纳米颗粒在最终悬浊液中所占质量分数根据需要进行调配，为保证磁响应促动效果，Fe3O4纳米颗粒质量分数大于20％；制备方法为：首先在去离子水中加入定量的四甲基氢氧化铵，随后利用搅拌器以2000rmp速率搅拌两小时；待四甲基氢氧化铵在溶液中完全扩散开后，加入Fe3O4纳米颗粒，继续搅拌一小时使溶液混合均匀。
7.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的Fe3O4纳米颗粒的直径为20nm。
8.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2、S3中的干燥，是在常温条件下给纤维素纸四周方向设计外部预紧拉力，然后置于干燥区域悬空进行，以避免干燥过程中纤维素纸出现起皱现象。
9.根据权利要求1所述的一种多物理场刺激下的纸基折叠促动器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S4中粘贴的透明胶带，具有疏水性，不会因为湿度改变而产生形变。
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