CN110733031A - 一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于形状记忆智能高聚合物、多功能纳米软体复合材料技术领域，公开一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器及其制备方法和应用。所述驱动器包括纳米物质光电层和多形状记忆高分子电纺层，所述软体驱动器是先将高分子聚合物溶于有机溶剂中形成高分子溶液，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维；将纳米物质加入去离子水，经过超声分散得到纳米物质溶液；将纳米物质溶液经过纳米纤维进行抽滤，在40～80℃烘干制得，所述纳米物质包括MXenes或/和碳纳米管。本发明的制备方法简单，制备的驱动器的导电率、光热效果好、响应时间短、具有自传感功。适合用于人造关节、智能驱动、软体机器人技术领域中的应用。

Description

一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于形状记忆智能高聚合物、多功能纳米软体复合材料、软体机器人技术领域，更具体地，涉及一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器及其制备方法和应用。
背景技术
软体驱动器由柔性纳米材料制备而成，通常能够对湿度、温度、电、热、光的刺激作出特定的响应，通常包括弯曲的角度，形状的大小等的变化，具有柔软、易变形、质量轻、体积小、响应快、适应性强等特点，在人造肌肉、软体机器人、光学装置等方面有应用。
目前，软体驱动器只能对刺激做出比较小的形变，或是以弯曲变形来响应刺激，又或者是多次的往复弯曲。(Li Q,Liu C,Fan S.Programmable and functionalelectrothermal bimorph actuators based on large-area anisotropic carbonnanotube paper[J].Nanotechnology,2018,29(17):175503.)同时，传统的复合驱动器的制备，对高分子与纳米物质的结合力有较高的要求。而且，传统驱动器的驱动性能只能通过典型的摄像系统和图像处理技术获得，这种性能评判的效率低、复杂，并且在照明条件恶劣时不适合使用。(Chen L,Weng M,Zhou P,et al.Graphene-Based Actuator withIntegrated-Sensing Function[J].Advanced Functional Materials,2019,29(5):1806057.)。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器。
本发明的另一目的在于提供上述快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，所述快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器包括纳米物质光电层和多形状记忆高分子电纺层，所述软体驱动器是先将高分子聚合物溶于有机溶剂中形成高分子溶液，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维；将纳米物质加入去离子水，经过超声分散得到纳米物质溶液；将纳米物质溶液经过上述纳米纤维进行抽滤，在40～80℃烘干制得，所述纳米物质包括MXenes或/和碳纳米管。
优选地，所述静电纺丝法的条件：电压为15～25kV，高分子溶液挤出速度为0.11～0.2ml/min，滚筒为转速50～100r/min，纺丝距离为10～18cm。
优选地，所述MXenes为Ti2C或/和Ti2C3，碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或经体积比为1：3的硝酸：浓硫酸改性的碳纳米管中的一种以上；所述碳纳米管的直径为2～20nm。
优选地，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮或四氢呋喃中的任意两种。
优选地，所述高分子聚合物为具有两个具有独立转变温度的高分子。
更为优选地，所述具有独立转变温度的高分子为聚氨酯和聚己内酯，或者聚乙烯醇和聚乳酸。
优选地，所述高分子溶液的质量浓度为10～20wt.％。
优选地，所述纳米物质的质量和去离子水的体积比为(2～15)mg：1ml。
所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将高分子聚合物溶于有机溶剂中，形成高分子溶液，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维；
S2.将纳米物质加入去离子水配置成水溶液，经过超声分散得到纳米物质溶液；
S3.将纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将纳米物质溶液经纳米纤维进行抽滤，在40～80℃烘干，制得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器。
所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器在人造关节、智能驱动或软体机器人技术领域中的应用。
本发明预编程经过加热或者光照使驱动器加热升温至高分子的转变温度以上，在该温度下对其施加力，使其拉长至所需长度并保持，然后停止加热，冷却至高分子的转变温度以下固定住形状。所述驱动过程为驱动器在两个强度的红外激光下驱动，在第一个较弱强度的激光刺激下，驱动器发生收缩并同时伴随着电阻变化率的变小至稳定，然后在第二个较强强度的激光刺激下，驱动器再次发生收缩并同时伴随着电阻变化率的再次变小至稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器包括纳米物质光电层和多形状记忆高分子电纺层(纳米纤维)，该驱动器对红外光有很好的响应性能且具有自传感性能，在预编程后，由于纳米物质具有很好的光热性能和电学性能，可用较弱的光强的光去驱动，红外光刺激时产生光热效应，驱动器在2-5s可快速响应刺激；在驱动过程中伴随着电信号变化，可实现其具有自传感功能，使其传感性能更灵敏和准确，突破了传统驱动器由于在驱动的时候没有电信号反馈，只能借助摄像技术来反馈的局限。
2.本发明的驱动器在驱动过程有多个形状的变化，这是由于得到的高分子具有纳米多孔结构，从而可通过抽滤使纳米物质附着在多孔的高分子上。由于高分子具有柔性，高分子能够在刺激下能改变至临时形状的高分子。而传统的驱动器只能驱动驱动器弯曲摆动，电阻变化不大，也很少有去测电信号，与传统的复合驱动器的制备相比，本发明对高分子的黏性没有要求。经过预编程的驱动器可以实现通过红外光的照射驱动或者控制驱动器运动，从而使驱动器的长度发生变化，突破了传统的驱动器在驱动过程中只能弯曲变化的局限，同时该长度变化是多个临时形状。
3.本发明的制备方法的工艺简单，易于操作、适合大量制备。
附图说明
图1为实施例1的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器中的纳米纤维的扫描电镜图。
图2为实施例1的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器的结构示意图。
图3为实施例1的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器驱动过程时的电阻变化率图(自传感信号图)。
图4为实施例1的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器驱动过程时的多个形状变化图。
图5-7为实施例1的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器驱动的过程中驱动器的三个形状的照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.先将高分子形状记忆聚氨酯(SMPU)和聚己内酯(PCL)混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，形成高分子溶液(高分子溶液的浓度为高分子的质量：有机溶剂的质量＝20％)设置静电纺丝条件：电压为20.5kV，高分子溶液挤出速度为0.133ml/min，滚筒为转速100r/min，纺丝距离为18cm，再通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取5mg的Ti2C3加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入纳米纤维上抽滤，放置于烘箱在80℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到纳米物质Ti2C3与纳米纤维复合的驱动器，即为快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器。
图1为本实施例所得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器中的纳米纤维的扫描电镜图。从图1中可知，纳米纤维是纤维多孔的结构，图2为本实施例所得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器的结构示意图。从图2中可知，驱动器是两层结构，一层是多形状高分子电纺层；另一层是Ti2C3、CNT或者其混合物的光电层。图3为本实施例所得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器驱动过程时的电阻变化率图(自传感信号图)。从图3中可知，电阻变化率的变化对应着驱动器形状的变化，反馈了驱动情况。
采用秒表记录所得自传感多形形状记忆软体驱动器的响应时间。以打开红灯照射到驱动器时开始到驱动器运动开始之间的时间为响应时间，纳米物质的吸热快慢决定了响应时间长短。测试所得驱动器在2～5s可快速响应刺激，驱动过程伴随着电信号变化，实现自传感功能，驱动器在驱动过程有依次的多个形状变化。
本实施例所得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，在红外光刺激下能够收缩，其具有很多用途，例如，水平拖动重物，垂直拉起重物，远程控制灯的亮度，以及远程控制驱动器打结等。下面以远程控制驱动器在垂直状态下拉起重物为例，将制备且经过预编程好的驱动器两端连接到吉时利万用电表中，并在将其垂直放置在拉力机上，固定上端，下端连接重物。图4为本实施例所得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器驱动过程时的多个形状变化图。开启红外激光低功率下照射启动器，红外激光的颜色为红色，从图4中可知，启动器开始收缩从形状一变为形状二，重物被驱动器拉起一定的距离，同时电阻开始慢慢变小至稳定；调节红外功率，使其变大并照射驱动器，启动器再次收缩从形状二变为形状三，重物再被驱动器拉起一定的距离，同时电阻开始慢慢变至最小且变稳定，整个过程的驱动器的形状与图5-7所示的相对应，其中，图4中的形状一、形状二和形状三的实物图分别对应图5、图6和图7的照片。
实施例2
1.将高分子SMPU和PCL混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，形成高分子溶液(高分子溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝20％)，设置静电纺丝条件：电压为20.5kV，高分子溶液挤出速度为0.133ml/min，滚筒为转速100r/min，纺丝距离为18cm，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取5mg的Ti2C3加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在40℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到纳米物质Ti2C3与纳米纤维复合的驱动器。
实施例3
1.将高分子SMPU和PCL混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂，形成高分子溶液(混合高分子溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝20％)，设置静电纺丝条件：电压为20.5kV，高分子溶液挤出速度为0.133ml/min，滚筒为转速100r/min，纺丝距离为18cm，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取5mg制得的CNT(购于南京吉仓纳米科技有限公司，其直径为0.3～0.5nm)，加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将步骤1所得纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在80℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到CNT与纳米纤维复合的驱动器。
实施例4
1.将高分子SMPU和PCL混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂，形成的高分子溶液(混合高分子的溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝20％)。设置静电纺丝条件：电压为20.5kV，高分子溶液挤出速度为0.133ml/min，滚筒为转速100r/min，纺丝距离为18cm，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取5mg制得的CNT加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将步骤1所得纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在40℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到CNT与纳米纤维复合的驱动器。
实施例5
1.将高分子SMPU和PCL混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂，形成的高分子溶液(混合高分子的溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝20％)。设置静电纺丝条件：电压为20.5kV，高分子溶液挤出速度为0.133ml/min，滚筒为转速100r/min，纺丝距离为18cm。通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取2.5mgTi2C3和2.5mg制得的CNT(经体积比为1：3的硝酸：浓硫酸改性)加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将步骤1所得纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在80℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到Ti2C3和CNT与纳米纤维复合的驱动器。
实施例6
1.将高分子SMPU和PCL混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂，形成的高分子溶液(混合高分子的溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝20％)。设置静电纺丝条件：电压为20.5kV，高分子溶液挤出速度为0.133ml/min，滚筒为转速100r/min，纺丝距离为18cm。通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取2.5mgTi2C和2.5mg制得的CNT(经体积比为1：3的硝酸：浓硫酸改性)加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将步骤1所得纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在80℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到Ti2C和CNT与纳米纤维复合的驱动器。
实施例7
1.将高分子聚乙烯醇和聚乳酸混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂，形成的高分子溶液(混合高分子的溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝10％)。设置静电纺丝条件：电压为25kV，高分子溶液挤出速度为0.11ml/min，滚筒为转速50r/min，纺丝距离为10cm。通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取2.5mgTi2C3和2.5mg制得的CNT(经体积比为1：3的硝酸：浓硫酸改性)加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将步骤1所得纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在80℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到Ti2C3和CNT与纳米纤维复合的驱动器。
实施例8
1.将高分子聚乙烯醇和聚乳酸混合后溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂，形成的高分子溶液(混合高分子的溶液浓度为高分子质量：溶剂的质量＝15％)。设置静电纺丝条件：电压为15kV，高分子溶液挤出速度为0.2ml/min，滚筒为转速80r/min，纺丝距离为15cm。通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维，裁剪出5*5cm备用。
2.取2.5mgTi2C和2.5mg制得的CNT(经体积比为1：3的硝酸：浓硫酸改性)加入去离子水配置成2mg/ml的水溶液，经过超声混合分散5min备用。
3.将步骤1所得纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将步骤2中的溶液倒入抽滤，放置于烘箱在80℃烘干，裁剪出2mm*30mm的样品，得到Ti2C和CNT与纳米纤维复合的驱动器。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器包括纳米物质光电层和多形状记忆高分子电纺层，所述软体驱动器是先将高分子聚合物溶于有机溶剂中形成高分子溶液，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维；将纳米物质加入去离子水，经过超声分散得到纳米物质溶液；将纳米物质溶液经过所述纳米纤维进行抽滤，在40～80℃烘干制得，所述纳米物质包括MXenes或/和碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述静电纺丝法的条件：电压为15～25kV，高分子溶液挤出速度为0.11～0.2ml/min，滚筒为转速50～100r/min，纺丝距离为10～18cm。
3.根据权利要求1所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述MXenes为Ti2C或/和Ti2C3，碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或经体积比为1：3的硝酸：浓硫酸改性的碳纳米管中的一种以上；所述碳纳米管的直径为2～20nm。
4.根据权利要求1所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮或四氢呋喃中的任意两种。
5.根据权利要求1所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述高分子聚合物为具有两个具有独立转变温度的高分子。
6.根据权利要求5所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述具有独立转变温度的高分子为聚氨酯和聚己内酯，或者聚乙烯醇和聚乳酸。
7.根据权利要求1所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述高分子溶液的质量浓度为10～20wt.％。
8.根据权利要求1所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器，其特征在于，所述纳米物质的质量和去离子水的体积比为(2～15)mg：1ml。
9.根据权利要求1-8任一项所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将高分子聚合物溶于有机溶剂中，形成高分子溶液，通过静电纺丝法将其纺织得到纳米纤维；
S2.将纳米物质加入去离子水配置成水溶液，经过超声分散得到纳米物质溶液；
S3.将纳米纤维放置于砂芯漏斗抽滤装置上，将纳米物质溶液经纳米纤维进行抽滤，在40～80℃烘干，制得快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器。
10.权利要求1-8任一项所述的快速响应自传感多形形状记忆软体驱动器在人造关节、智能驱动或软体机器人技术领域中的应用。
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