CN109467727A - 一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法 - Google Patents

一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109467727A
CN109467727A CN201811332046.8A CN201811332046A CN109467727A CN 109467727 A CN109467727 A CN 109467727A CN 201811332046 A CN201811332046 A CN 201811332046A CN 109467727 A CN109467727 A CN 109467727A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon nanotube
preparation
density polyethylene
actuator
ldpe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811332046.8A
Other languages
English (en)
Inventor
王宏志
李林鹏
侯成义
李耀刚
张青红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Donghua University
National Dong Hwa University
Original Assignee
Donghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Donghua University filed Critical Donghua University
Priority to CN201811332046.8A priority Critical patent/CN109467727A/zh
Publication of CN109467727A publication Critical patent/CN109467727A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/04—Coating
    • C08J7/06—Coating with compositions not containing macromolecular substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2323/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Derivatives of such polymers
    • C08J2323/02—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Derivatives of such polymers not modified by chemical after treatment
    • C08J2323/04—Homopolymers or copolymers of ethene
    • C08J2323/06—Polyethene

Abstract

本发明涉及一种低密度聚乙烯‑碳纳米管软体致动器及其制备方法，具有以低密度聚乙烯薄膜为致动基体材料，以碳纳米管为功能层的叠层结构；致动器薄膜面积为1～6500cm2；制备方法包括：(1)将碳纳米管加入混酸中，加热、搅拌，经水洗、冷冻干燥，得到酸化碳纳米管；(2)将酸化碳纳米管超声分散于溶剂中，得到分散液；(3)将低密度聚乙烯薄膜置于热台上，将酸化碳纳米管分散液置于喷枪中，将喷枪垂直置于聚乙烯薄膜上方，在氮气气压下喷涂在聚乙烯薄膜表面，即得。该方法工艺简单可靠，具有广泛的应用前景。

Description

一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子致动器技术领域，特别涉及一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法。
背景技术
碳纳米管作为一种新型的一维纳米材料，近年来受到科学界的广泛关注。由于碳纳米管优异的导电传热性能，使其可作为性能优异的导体或者传热功能材料，在智能可穿戴等材料领域发挥着重要的作用。
软体致动器是一种新兴的环境响应型装置，与传统的刚性致动器相比，它是一种更安全、更柔和的致动设备。软体致动器通常由高度变形的材料或复合材料制成，可在各种环境刺激下将外界能量转化为机械能。它们在分子水平上微观构象的变化转化为体积或形状的变化，从而展现出致动器材料的宏观大变形。致动材料通常有无机碳材料、记忆合金、高分子材料等。高分子材料因为其较高的热膨胀系数受到人们的广泛关注，而如何实现致动材料的大面积制备也成为影响其应用的关键因素之一。
Chen L等利用CVD技术制备了超取向碳纳米管和聚丙烯复合致动材料，尺寸长20cm，宽18cm(Large-Deformation Curling Actuators Based on Carbon NanotubeComposite:Advanced-Structure Design and Biomimetic Application,ACS Nano,2015,9,12189-12196)。但超取向碳纳米管复杂的制备工艺和高昂的制备成本限制了其进一步发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法，克服了现有技术无法实现致动材料的大面积制备的缺陷。
本发明的一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器，具有以低密度聚乙烯薄膜为致动基体材料，以碳纳米管为功能层的叠层结构；致动器薄膜面积为1～6500cm2。
所述低密度聚乙烯薄膜的厚度为5～50um。
所述碳纳米管为单壁碳纳米管，厚度为0.5～4um。
本发明的一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器的制备方法，包括：
(1)将碳纳米管加入混酸中，加热、搅拌，经水洗、冷冻干燥，得到酸化碳纳米管；其中碳纳米管在混酸中的浓度为12～16mg/mL；
(2)将步骤(2)得到的酸化碳纳米管加入溶剂中，超声分散，得到浓度为0.2～1mg/mL的酸化碳纳米管分散液；
(3)将低密度聚乙烯薄膜置于热台上，将步骤(2)制得的酸化碳纳米管分散液置于喷枪中，将喷枪垂直置于聚乙烯薄膜上方，在氮气气压下将酸化碳纳米管分散液喷涂在聚乙烯薄膜表面，得到低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器。
所述步骤(1)中的混酸为体积比为2～4:1的硫酸和硝酸。
所述步骤(1)中加热的温度为70～90℃；搅拌为磁力搅拌，搅拌时间为6～10h。
所述步骤(1)中冷冻干燥的工艺参数为：冷冻温度为-40～-30℃，压力为20～40MPa，冷冻干燥时间为2～5天。
所述步骤(2)中的溶剂为无水乙醇。
所述步骤(2)中超声分散的时间为12～36h。
所述步骤(3)中的热台温度为50～85℃。
所述步骤(3)中的氮气气压为0.1～0.4MPa。
所述步骤(3)中喷枪与低密度聚乙烯薄膜表面的距离为10～30cm。
有益效果
(1)本发明采用喷涂方法制备软体致动器，工艺简单可靠，条件温和，可以实现软体致动器的大面积制备，面积可达6500cm2。
(2)本发明采用低密度聚乙烯为致动基体材料，赋予致动器柔性及致动性能；以碳纳米管为功能层，赋予致动器导电、红外吸收等特性。制备的软体致动器在软体机器人等方面有很大的应用潜力。
(3)本发明制备的软体致动器可对多种刺激方式，如电、红外光等进行响应，由于低密度聚乙烯本征的热膨胀系数较高，使致动器在受热情况下能产生较大的体积形变。
附图说明
图1为实施例1制备的酸化单壁碳纳米管的扫描电镜图；
图2为实施例1制备的低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器截面的扫描电镜图；
图3为实施例1制备的低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器的实物图，其中致动器的尺寸为长130cm，宽50cm；
图4为实施例1制备的软体致动器在6V电压和红外光刺激下的响应图。
图5为对比例1制备的软体致动器的实物图，其中致动器的尺寸为长20cm，宽18cm。
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。
本发明实施例中采用的低密度聚乙烯薄膜采用市售产品(昆山市星光塑料厂)。
实施例1
(1)室温下，称取单壁碳纳米管500mg置于100mL三口烧瓶中，然后加入硫酸30mL、硝酸10mL，然后将烧瓶放在油浴锅中加热到70℃磁力搅拌8h，取出用400mL去离子水清洗过滤后，在-35℃，30MPa条件下冷冻干燥3天，得到酸化的碳纳米管块体。
(2)取100mg步骤(2)得到的酸化碳纳米管块体和200mL的无水乙醇加入到500mL试剂瓶中，超声分散24h，得到浓度为0.5mg/mL的酸化碳纳米管分散液。
(3)将低密度聚乙烯薄膜置于70℃热台上，便于乙醇干燥，将步骤(2)制得的酸化碳纳米管分散液置于喷枪中，将喷枪垂直置于聚乙烯薄膜上方，在0.25MPa氮气气压下匀速将酸化碳纳米管分散液喷涂在聚乙烯薄膜表面，得到低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器。
本实施例制得的酸化单壁碳纳米管的扫描电镜结果如图1所示，可知酸化碳纳米管在低密度聚乙烯薄膜便面分布均匀。
本实施例制得的低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器截面的扫面电镜结果如图2所示，可知此软体致动器呈叠层结构。
本实施例制得的低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器的实物如图3所示，可知此软体致动器薄膜长130cm，宽50cm，面积为6500cm2，实现了大面积制备。
本实施例制得的软体致动器在6V电压和红外光刺激下的响应结果如图4所示，可知此致动器在电刺激和红外照射下会产生较大的体积形变。
实施例2
(1)室温下，称取单壁碳纳米管500mg置于100mL三口烧瓶中，然后加入硫酸24mL、硝酸8mL，然后将烧瓶放在油浴锅中加热到70℃磁力搅拌8h，取出用400mL去离子水清洗过滤后，在-35℃，30MPa条件下冷冻干燥3天，得到酸化的碳纳米管块体。
(2)取100mg步骤(2)得到的酸化碳纳米管块体和200mL的无水乙醇加入到500mL试剂瓶中，超声分散24h，得到浓度为0.5mg/mL的酸化碳纳米管分散液。
(3)将低密度聚乙烯薄膜置于70℃热台上，便于乙醇干燥，将步骤(2)制得的酸化碳纳米管分散液置于喷枪中，将喷枪垂直置于聚乙烯薄膜上方，在0.25MPa氮气气压下匀速将酸化碳纳米管分散液喷涂在聚乙烯薄膜表面，得到低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器。
实施例3
(1)室温下，称取单壁碳纳米管500mg置于100mL三口烧瓶中，然后加入硫酸30mL、硝酸10mL，然后将烧瓶放在油浴锅中加热到70℃磁力搅拌8h，取出用400mL去离子水清洗过滤后，在-35℃，30MPa条件下冷冻干燥3天，得到酸化的碳纳米管块体。
(2)取300mg步骤(2)得到的酸化碳纳米管块体和300mL的无水乙醇加入到500mL试剂瓶中，超声分散24h，得到浓度为1mg/mL的酸化碳纳米管分散液。
(3)将低密度聚乙烯薄膜置于70℃热台上，便于乙醇干燥，将步骤(2)制得的酸化碳纳米管分散液置于喷枪中，将喷枪垂直置于聚乙烯薄膜上方，在0.25MPa氮气气压下匀速将酸化碳纳米管分散液喷涂在聚乙烯薄膜表面，得到低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器。
对比例1
文献“Large-Deformation Curling Actuators Based on Carbon NanotubeComposite:Advanced-Structure Design and Biomimetic Application,ACS Nano,2015,9,12189-12196”利用化学气相沉积法制备了超取向的碳纳米管薄膜，再和聚丙烯薄膜复合制备出复合致动薄膜，此薄膜面积为360cm2。而本专利方法制备的薄膜面积在6500cm2，是对比方法的18倍。对比例制得的复合致动薄膜如图5所示，可知所示面积与图3相比有明显差距。

Claims (10)

1.一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器，其特征在于：具有以低密度聚乙烯薄膜为致动基体材料，以碳纳米管为功能层的叠层结构；致动器薄膜面积为1～6500cm2。
2.根据权利要求1所述的软体致动器，其特征在于：所述低密度聚乙烯薄膜的厚度为5～50um；所述碳纳米管为单壁碳纳米管，厚度为0.5～4um。
3.一种如权利要求1或2所述的软体致动器的制备方法，包括：
(1)将碳纳米管加入混酸中，加热、搅拌，经水洗、冷冻干燥，得到酸化碳纳米管；其中碳纳米管在混酸中的浓度为12～16mg/mL；
(2)将步骤(2)得到的酸化碳纳米管加入溶剂中，超声分散，得到浓度为0.2～1mg/mL的酸化碳纳米管分散液；
(3)将低密度聚乙烯薄膜置于热台上，将步骤(2)制得的酸化碳纳米管分散液置于喷枪中，将喷枪垂直置于聚乙烯薄膜上方，在氮气气压下将酸化碳纳米管分散液喷涂在聚乙烯薄膜表面，得到低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的混酸为体积比为2～4:1的硫酸和硝酸。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中加热为油浴加热，加热温度为70～90℃；搅拌为磁力搅拌，搅拌时间为6～10h。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中冷冻干燥的工艺参数为：冷冻温度为-40～-30℃，压力为20～40MPa，冷冻干燥时间为2～5天。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的溶剂为无水乙醇。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中超声分散的时间为12～36h。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的热台温度为50～85℃；氮气气压为0.1～0.4MPa。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中喷枪与低密度聚乙烯薄膜表面的距离为10～30cm。
CN201811332046.8A 2018-11-09 2018-11-09 一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法 Pending CN109467727A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811332046.8A CN109467727A (zh) 2018-11-09 2018-11-09 一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811332046.8A CN109467727A (zh) 2018-11-09 2018-11-09 一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109467727A true CN109467727A (zh) 2019-03-15

Family

ID=65671922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811332046.8A Pending CN109467727A (zh) 2018-11-09 2018-11-09 一种低密度聚乙烯-碳纳米管软体致动器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109467727A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150022474A (ko) * 2013-08-23 2015-03-04 고려대학교 산학협력단 다공성 고분자막을 포함하는 액추에이터
CN106279745A (zh) * 2016-07-22 2017-01-04 北京大学 一种基于晶体光致相变的智能复合材料及其制备方法
CN106750824A (zh) * 2017-01-20 2017-05-31 江苏先丰纳米材料科技有限公司 一种低电压驱动导热膜及其制备方法
CN107297929A (zh) * 2017-06-16 2017-10-27 福建师范大学 致动材料和双向弯曲型致动器及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150022474A (ko) * 2013-08-23 2015-03-04 고려대학교 산학협력단 다공성 고분자막을 포함하는 액추에이터
CN106279745A (zh) * 2016-07-22 2017-01-04 北京大学 一种基于晶体光致相变的智能复合材料及其制备方法
CN106750824A (zh) * 2017-01-20 2017-05-31 江苏先丰纳米材料科技有限公司 一种低电压驱动导热膜及其制备方法
CN107297929A (zh) * 2017-06-16 2017-10-27 福建师范大学 致动材料和双向弯曲型致动器及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LINPENG LI ET AL.: "Dual-Mechanism and Multimotion Soft Actuators Based on Commercial Plastic Film", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 》 *
LUZHUO CHEN ET AL.: "Large-Deformation Curling Actuators Based on Carbon Nanotube Composite:Advanced-Structure Design and Biomimetic Application", 《ACS NANO》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cai et al. Wood-inspired superelastic MXene aerogels with superior photothermal conversion and durable superhydrophobicity for clean-up of super-viscous crude oil
Hu et al. MXene-coated silk-derived carbon cloth toward flexible electrode for supercapacitor application
Zhao et al. 3D fibrous aerogels from 1D polymer nanofibers for energy and environmental applications
Liu et al. Bioinspired design of electrospun nanofiber based aerogel for efficient and cost-effective solar vapor generation
Mu et al. Conductive hollow kapok fiber-PPy monolithic aerogels with excellent mechanical robustness for efficient solar steam generation
CN105368045B (zh) 石墨烯‑聚吡咯复合气凝胶及其制备方法与应用
Mu et al. Aligned Attapulgite-based aerogels with excellent mechanical property for the highly efficient solar steam generation
Chen et al. Fabrication and characterization of magnetic cobalt ferrite/polyacrylonitrile and cobalt ferrite/carbon nanofibers by electrospinning
Zhang et al. Tough, ultralight, and water-adhesive graphene/natural rubber latex hybrid aerogel with sandwichlike cell wall and biomimetic rose-petal-like surface
CN104925778B (zh) 碳纳米管微球及其制备方法与应用
CN103253656A (zh) 一种石墨烯分散液制备方法
CN106006620A (zh) 石墨烯氧化物和石墨烯气凝胶及其制备方法与环境应用
Lim et al. A review on the synthesis, properties, and utilities of functionalized carbon nanoparticles for polymer nanocomposites
CN107857249A (zh) 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法
CN105688285B (zh) 一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法
Chai et al. Ultrahigh photothermal temperature in a graphene/conducting polymer system enables contact thermochemical reaction
Zhang et al. The preparation of high performance Multi-functional porous sponge through a biomimic coating strategy based on polyurethane dendritic colloids
Fu et al. Multifunctional biomass composite aerogel co-modified by MXene and Ag nanowires for health monitoring and synergistic antibacterial applications
CN107032329A (zh) 一种纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯及其制备方法
Geng et al. Ultralong polypyrrole nanotubes aerogels with excellent elasticity for efficient solar steam generation
CN113718371A (zh) MXene气凝胶纤维、其制备方法及应用
Zhang et al. Facile fabrication of large scale microtubes with a natural template—Kapok fiber
CN105273216A (zh) 三维立体褶皱聚乳酸微球及其制备方法与用途
He et al. Synergistic regulation of the microstructure for multifunctional graphene aerogels by a dual template method
Tunsound et al. Ethyl cellulose composite membranes containing a 2D material (MoS2) and helical carbon nanotubes for efficient solar steam generation and desalination

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Li Linpeng

Inventor after: Wang Hongzhi

Inventor after: Hou Chengyi

Inventor after: Li Yaogang

Inventor after: Zhang Qinghong

Inventor before: Wang Hongzhi

Inventor before: Li Linpeng

Inventor before: Hou Chengyi

Inventor before: Li Yaogang

Inventor before: Zhang Qinghong

CB03 Change of inventor or designer information
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190315

RJ01 Rejection of invention patent application after publication