CN109719817A - 水分刺激响应型木材驱动器的制备方法 - Google Patents

Abstract

水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，涉及一种刺激响应智能材料的制备方法。是要解决现有水分刺激响应驱动器材料不可再生、双层结构界面结合差的问题。方法：一、称取纳米颗粒、表面改性剂和甲苯，混合后搅拌，丙酮清洗，离心，干燥，即得试剂A；二、称取疏水性高分子树脂、试剂A和溶剂，混合后搅拌，超声，即得试剂B；三、将试剂B施加到木材薄片的一面，使木材薄片的一侧面亲水，另一侧超防水，即得水分刺激响应型木材驱动器。本发明的木材驱动器一侧有超防水功能，另一侧仍旧保持木材天然微观构造。该水分刺激响应型木材驱动器具有1.8cm^‑1的最大响应曲率，对应的响应时间为50s。本发明用于智能材料领域。

Description

水分刺激响应型木材驱动器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种刺激响应智能材料的制备方法。

背景技术

智能材料可以通过感知外界环境变化，实现主动响应，比如智能水杯热致变色、智能眼镜光致变色等。如果智能材料通过感知外界环境变化能做出机械运动刺激响应，则具有驱动器性质，即无需人为的能量供给便可实现自主驱使运动，无疑具有“绿色、节能”的特点，代表着未来材料发展的新趋势。

自然界的许多植物经过亿万年进化，已具备了主动响应、自动节能的智能特性。如随着外界环境中湿度的变化，松果会自动地张开与闭合，冰雪日中花种荚会主动地折叠与舒展，麦芒自然地靠拢和张开，植物的须根自动地弯曲和扭曲等。它们体现的这些几乎不靠人为地能源供给而自动变形的智能特性都归因于生物体受外界环境(如湿度、温度等)条件变化的刺激，其相应部位发生不同程度的膨胀或收缩，即结构上产生拉伸压缩梯度，进而产生不对称形变，导致自动变形。

受此大自然智能响应特性的启发，研究者们设计开发了多种环境刺激响应(光、电、磁、化学、湿度等环境条件)的变形驱动器，它们能将不同类型的来自大自然的能量转化为二维或三维的机械运动，实现主动响应。然而，现有的湿度响应智能驱动材料多是基于不可再生资源构建，如化石资源、碳材料等。此外，这些智能驱动器多为双层结构，存在界面结合弱、反复响应几次后容易产生界面分离、破坏驱动器本身结构和性能的弊端。

发明内容

本发明是要解决现有水分刺激响应驱动器材料不可再生、双层结构界面结合差的问题，提供一种水分刺激响应型木材驱动器的制备方法。

本发明水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，包括以下步骤：

一、按质量百分比分别称取0.1％-5％的纳米颗粒、0.1％-2％的表面改性剂和余量的甲苯，混合后搅拌72～76h，然后用丙酮清洗，8000～9000rpm离心3～5次，然后在80～85℃下干燥12～14h，即得试剂A；

二、按质量百分比分别称取1％-50％的疏水性高分子树脂、0.1％-1％的试剂A和余量的溶剂，混合后室温下搅拌0.1～0.2小时，然后超声0.5-1小时，即得试剂B；

三、将试剂B施加到木材薄片的一面，使木材薄片的一侧面亲水，另一侧超防水，即得水分刺激响应型木材驱动器；其中所述试剂B施加到木材薄片的弦切面，所述木材薄片的厚度小于等于1.0mm。

木材薄片的厚度小于等于1.0mm。选择这样厚度的原因是通过该方法在木材内构筑双层结构以实现驱动器功能，理论上疏水层只有薄薄的单分子层；如果木材太厚，意味着吸水层厚度很大，而疏水层非常薄，吸水层几乎等于整个木材的厚度，此时木材吸水，相当于整个木材吸水，同步膨胀，疏水层不膨胀的抵抗力非常小，从而无法有效构筑不对称膨胀层，故太厚的木材不能制成有效的智能驱动器。

1mm以下的木材薄层通常以旋切方式制得，它的上下表面均为弦切面方向(厚度方向为径切面；纵向为纵切面)；且这种结构下，木材在厚度方向具有最大的膨胀能力，利于发挥木材吸水膨胀功能，从而有效构筑智能驱动器。

进一步的，步骤一中的纳米颗粒为SiO₂、Ag、Cu、CuO、TiO₂、ZnO中的一种或几种按任意比组成的混合物。所述纳米颗粒的粒径为10～500nm。

进一步的，步骤一中的表面改性剂为聚二甲基硅氧烷。

进一步的，步骤二中的疏水性高分子树脂为低于8个F原子的氟碳树脂。

进一步的，步骤二中的溶剂为D40。

进一步的，步骤二中的超声功率为500-550W。

进一步的，步骤三中的试剂B施加到木材的方法为：

方法1：将试剂B喷涂至木材薄片的弦切面一侧，室温放置24-72h，使之超防水，而另一侧保持未被处理、呈原始亲水状态。

方法2：用试剂B浸泡木材薄片，室温放置24-72h，使之表面超防水，然后将其中一面用400目砂纸摩擦至少10min，使其疏水层被破坏掉，变为亲水，另一侧则保持超疏水。

本发明的有益效果：

本发明基于木材天然可再生材料，通过在木材内部巧妙构筑不对称膨胀层(即湿度响应梯度层)，引发的拉伸/压缩应力差，形成的木材智能驱动器。适用于任何种类的实体木材材料。

本发明水分刺激响应型木材驱动器的一面表面微观结构呈现微纳米层次结构，基底为疏水膜聚合物覆盖，与荷叶微观结构相似，从而具有超防水功能，另一侧仍旧保持木材天然微观构造。该水分刺激响应型木材驱动器具有1.8cm^-1的最大响应曲率，对应的响应时间为50s，可反复响应100次而不影响响应曲率和灵敏性；且这类木材制动器的最大响应厚度可达1mm。其中，木材的一侧表面静态水接触角高达150°以上、滚动角小于10°，具有超疏水功能。

本发明利用木材构筑智能驱动器，通过巧妙地在木材结构内部形成一个湿度响应梯度层，既避免了传统智能驱动器的双层结构，不存在界面结合弱易分离的问题，又充分利用了木材的天然吸水膨胀变形特性，保留了木材天然的结构、纹理和高力学强度特性，并赋予了驱动器附加的超疏水功能特性。该木材驱动器具有良好的适用性，在节能窗、智能家居领域有广泛的用途。

附图说明

图1是实施例1中刺激响应型木材超疏水表面的扫描电镜图片；

图2是实施例1中刺激响应型木材超疏水表面静态水接触角照片；

图3是实施例1中刺激响应型木材亲水表面的扫描电镜照片；

图4是实施例1中刺激响应型木材遇水20秒后的响应状态照片；

图5是实施例1中刺激响应型木材遇水50秒后的响应状态照片；

图6是实施例2中刺激响应型木材遇水50秒后的响应状态照片；

图7是实施例2中刺激响应型木材厚度与响应曲率的关系曲线。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，包括以下步骤：

一、按质量百分比分别称取0.1％-5％的纳米颗粒、0.1％-2％的表面改性剂和余量的甲苯，混合后搅拌72～76h，然后用丙酮清洗，8000～9000rpm离心3～5次，然后在80～85℃下干燥12～14h，即得试剂A；

二、按质量百分比分别称取1％-50％的疏水性高分子树脂、0.1％-1％的试剂A和余量的溶剂，混合后室温下搅拌0.1～0.2小时，然后超声0.5-1小时，即得试剂B；

三、将试剂B施加到木材薄片的一面，使木材薄片的一侧面亲水，另一侧超防水，即得水分刺激响应型木材驱动器；其中所述试剂B施加到木材薄片的弦切面；所述木材薄片的厚度小于等于1.0mm。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的纳米颗粒为SiO₂、Ag、Cu、CuO、TiO₂、ZnO中的一种或几种按任意比组成的混合物。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述纳米颗粒的粒径为10～500nm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的表面改性剂为聚二甲基硅氧烷。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中的疏水性高分子树脂为低于8个F原子的氟碳树脂。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式的氟碳树脂购自尚蒙科技无锡有限公司，符合欧洲、日本和美国的环保标准。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中的溶剂为D40。其它与具体实施方式一相同。

D40为石油醚类溶剂。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中的超声功率为500-550W。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的试剂B施加到木材的方法为：

方法1：将试剂B喷涂至木材薄片的弦切面一侧，室温放置24-72h，使之超防水，而另一侧保持未被处理、呈原始亲水状态。

方法2：用试剂B浸泡木材薄片，室温放置24-72h，使之表面超防水，然后将其中一面用400目砂纸摩擦至少10min，使其疏水层被破坏掉，变为亲水，另一侧则保持超疏水。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一和二中的搅拌为磁力搅拌。其它与具体实施方式一相同。

下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，包括以下步骤：

一、按质量百分比分别称取1％的纳米颗粒、0.5％的表面改性剂和98.5％的甲苯溶液，混合后磁力搅拌72h，然后用丙酮清洗，8000rpm离心3次，然后在80℃下干燥12h，即得疏水改性的试剂A；

二、按质量百分比分别称取20％的疏水性高分子树脂、0.2％的试剂A和79.8％的溶剂，混合后室温下磁力搅拌0.1小时后，500W超声0.5小时，即得试剂B；

三、将试剂B施加到木材薄片表面(表面为弦切面)，使其中一侧亲水，另一侧超防水，即得水分刺激响应型木材驱动器。

其中，步骤一中的纳米颗粒为100nm的二氧化硅SiO₂，表面改性剂为聚二甲基硅氧烷。

步骤二中的疏水性高分子树脂为低于8个F原子的氟碳树脂(购自尚蒙科技无锡有限公司，符合欧洲、日本和美国的环保标准)，溶剂为D40。

步骤三中的试剂B施加到木材的方法为：将试剂B喷涂木材薄片(表面为弦切面)的一，每平方米喷涂100ml试剂B，室温放置72h，使之超防水，而另一侧保持未被处理、呈原始亲水状态，即得水分刺激响应型木材驱动器。

本实施例得到的水分刺激响应型木材驱动器的一面表面微观结构呈现微纳米层次结构(如图1)，基底为疏水膜聚合物覆盖，与荷叶微观结构相似，从而具有超防水功能，其表面静态水接触角照片如图2所示。另一侧仍旧保持木材天然微观构造(如图3)。

本方法解决了现有的智能驱动器双层结构存在界面结合差、材质不可再生的弊端。适用于任何种类的实体木材材料。本方法得到的水分刺激响应型木材驱动器遇水20秒后的响应状态照片如图4，遇水50秒后的响应状态照片如图5。

该水分刺激响应型木材智能驱动器具有1.8cm^-1的最大响应曲率，对应的响应时间为50s，可反复响应100次而不影响响应曲率和灵敏性；且这类木材制动器的最大响应厚度可达1mm；其中，木材的一侧表面静态水接触角高达150°以上、滚动角小于10°，具有超疏水功能。该木材驱动器具有良好的适用性，在节能窗、智能家居领域有广泛的用途。

实施例2：

本实施例水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，包括以下步骤：

一、按质量百分比分别称取0.5％的纳米颗粒、1％的表面改性剂和98.5％的甲苯溶液，混合后磁力搅拌72h，然后用丙酮清洗，8000rpm离心3次，然后在80℃下干燥12h，即得疏水改性的试剂A；

二、按质量百分比分别称取30％的疏水性高分子树脂、0.3％的试剂A和69.7％的溶剂，混合后室温下磁力搅拌0.1小时后，500W超声1小时，即得试剂B；

三、将试剂B施加到木材薄片表面(表面为弦切面)，使其中一侧亲水，另一侧超防水，即得水分刺激响应型木材驱动器。

其中，步骤一中的纳米颗粒为100nm的二氧化硅SiO₂和100nm的TiO₂按质量比1：1组成的混合物；表面改性剂为聚二甲基硅氧烷。

步骤二中的疏水性高分子树脂为低于8个F原子的氟碳树脂(购自尚蒙科技无锡有限公司，符合欧洲、日本和美国的环保标准)，溶剂为D40。

步骤三中的试剂B施加到木材的方法为：将木材薄片(表面为弦切面)浸泡试剂B(在溶液中浸泡1分钟)，室温放置48h，使之表面超防水，然后将其中一面用400目砂纸简单摩擦至亲水(表面静态水接触角小于90°)，另一侧保持超疏水，即得水分刺激响应型木材驱动器。

本实施例得到的水分刺激响应型木材驱动器的一面表面微观结构呈现微纳米层次结构，基底为疏水膜聚合物覆盖，与荷叶微观结构相似，从而具有超防水功能，另一侧仍旧保持木材天然微观构造。

本方法解决了现有的智能驱动器双层结构存在界面结合差、材质不可再生的弊端。适用于任何种类的实体木材材料。本方法得到的水分刺激响应型木材驱动器遇水50秒后的响应状态照片如图6。

该水分刺激响应型木材智能驱动器具有1.8cm^-1的最大响应曲率，对应的响应时间为50s，可反复响应100次而不影响响应曲率和灵敏性；且这类木材制动器的最大响应厚度可达1mm(如图7)；其中，木材的一侧表面静态水接触角高达150°以上、滚动角小于10°，具有超疏水功能。该木材驱动器具有良好的适用性，在节能窗、智能家居领域有广泛的用途。

Claims (9)

1.水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

一、按质量百分比分别称取0.1％-5％的纳米颗粒、0.1％-2％的表面改性剂和余量的甲苯，混合后搅拌72～76h，然后用丙酮清洗，8000～9000rpm离心3～5次，然后在80～85℃下干燥12～14h，即得试剂A；

二、按质量百分比分别称取1％-50％的疏水性高分子树脂、0.1％-1％的试剂A和余量的溶剂，混合后室温下搅拌0.1～0.2小时，然后超声0.5-1小时，即得试剂B；

三、将试剂B施加到木材薄片的一面，使木材薄片的一侧面亲水，另一侧超防水，即得水分刺激响应型木材驱动器；其中所述试剂B施加到木材薄片的弦切面，所述木材薄片的厚度小于等于1.0mm。

2.根据权利要求1所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于步骤一中的纳米颗粒为SiO₂、Ag、Cu、CuO、TiO₂、ZnO中的一种或几种按任意比组成的混合物。

3.根据权利要求2所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于所述纳米颗粒的粒径为10～500nm。

4.根据权利要求1或2所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于所述的表面改性剂为聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求4所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于步骤二中的疏水性高分子树脂为低于8个F原子的氟碳树脂。

6.根据权利要求5所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于步骤二中的溶剂为D40。

7.根据权利要求6所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于步骤二中的超声功率为500-550W。

8.根据权利要求7所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于步骤一和二中的搅拌为磁力搅拌。

9.根据权利要求1所述的水分刺激响应型木材驱动器的制备方法，其特征在于步骤三中的试剂B施加到木材的方法为：

方法1：将试剂B喷涂至木材薄片的弦切面一侧，室温放置24-72h，而另一侧保持未被处理；

方法2：用试剂B浸泡木材薄片，室温放置24-72h，木材薄片的弦切面一侧保持不变，而将另一侧用400目砂纸摩擦至少10min。