CN110854264B - 一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纤维素基功能材料领域，公开了一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法。将TOCNF凝胶在去离子水中搅拌均匀，然后超声处理，得到TOCNF溶液，然后通过溶剂蒸发自组装成透明TOCNF膜，在所得透明TOCNF膜表面通过溅射方式沉积一层高导电性金属电级，得到所述纳米纤维素基电致驱动材料。本发明材料选用可再生可降解，具有良好生物适应性，成本较低的TOCNF为原料，制备过程简单高效。所制备材料属于高响应性电致驱动材料，在致动器、传感器、微型机器人、微型飞行器等领域具有广泛应用前景。

Description

一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纤维素基功能材料领域，具体涉及一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法。
背景技术
智能材料能够在识别环境的改变同时产生可测量的反应，正是这种性质使检测、驱动和控制集成于一种材料上成为了可能。智能材料由于其优异的性能，在生产和生活方面都有着十分重要的作用。作为智能材料中的一种，电致驱动材料可以在电场下产生蠕动变形或偏转位移，或在应力作用下产生响应电荷，这种特性决定着电致驱动材料在传感器、致动器、MEMS、扬声器等方面有着广泛的应用潜力。常见的电致驱动材料有离子聚合物金属复合材料(IPMCs)，凝胶类聚合物，导电聚合物，电场驱动纸(EAPs)，电致伸缩聚合物人造肌肉 (EAPM)，电流变体等。这些材料已经得到了较为广泛的应用，但也存在着驱动电压较高、对湿度敏感以及难以维持直流保持的位移等等问题，因此需要一种轻巧的新型电致驱动材料来解决这些问题从而实现低功率水平操作。
纤维素是自然界储量最大的天然聚合物，年产量超过一万亿吨。天然的纤维素是一种物理和化学上具有高度特异性的复合材料，这种材料中存在着定向单轴结晶的结晶区以及无定形区的特异结构。上世纪的许多研究者对具有这种有趣结构的天然高分子材料做了深入研究，发现这种结构可以产生压电效应，具有作为智能材料的巨大潜力。纤维素基电致驱动材料具有轻质高强、可生物降解、良好生物适应性、广泛的化学改性及成形工艺适应性以及较低的驱动电压和较大驱动位移。使用TEMPO氧化纳米纤维素制备TOCNF的方法反应条件温和，能耗较低，所制得的纳米纤维素尺寸均一，长径比大，分散性好。TOCNF 不仅具有纤维素的绿色环保的优点，还在纤维表面暴露出更多的羧基基团，在成膜过程中更有利于氢键的形成，这对成膜的物理机械强度和结晶度都有很重要的意义。
表面溅射法是一种利用溅射原理及技术处理加工材料表面的现代技术方法。对纳米纤维素膜进行表面溅射沉积时可保证在对膜表面进行精细刻蚀时保持原组分不变，但是覆盖的高导电性金属薄膜具有低电阻，结合紧密，不易脱落而且不影响膜本身的柔性等优点，是良好的电极选择。
关于直接在纳米纤维素膜表面溅射高导电性金属电极 制备电致驱动材料的研究尚未见报道。
发明内容
针对目前电致驱动材料存在的驱动电压高，致动位移小等不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法。本发明方法采用TOCNF和高导电性金属作为主要材料，采用不同含量的TOCNF溶液(阔叶木TOCNF或针叶木TOCNF等)超声震荡均匀后蒸发溶剂自组装成膜，再在膜的表面溅射沉积一层超薄的高导电性金属膜作为电极制备了高性能电致驱动材料。该工艺方法成熟，所用原料成本低，且原料可再生可降解，绿色环保。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的纳米纤维素基电致驱动材料。本发明制备的电致驱动材料具备优异的电致动性能，而且成本低；同时，该材料具有纤维素基材料轻质高强的特点和有良好的可再生和可降解性能。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)将氧化纳米纤维(TOCNF)凝胶在去离子水中搅拌均匀，然后超声处理，得到TOCNF溶液；
(2)将TOCNF溶液放在容器里通过溶剂蒸发自组装成透明TOCNF膜；
(3)在步骤(2)所得透明TOCNF膜表面通过溅射方式沉积一层高导电性金属电极 ，得到所述纳米纤维素基电致驱动材料。
进一步地，步骤(1)中所述TOCNF凝胶的含量为10％～50％，去离子水的含量为50％～90％。
进一步地，步骤(1)中所述超声处理的温度为10～50℃，时间为0.5h～5h。
进一步地，步骤(2)中所述溶剂蒸发的温度为10℃～100℃，时间为0.5h～96h。
进一步地，步骤(3)中所述高导电性金属电极 是指金、银、铜或铝电极。
进一步地，步骤(3)中表面溅射的金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的0.1％～5％。
一种纳米纤维素基电致驱动材料，通过上述方法制备得到。
本发明制备的材料具有良好电致动性能，其电致动原理来自两个方面，一是TOCNF纤维晶体本身的压电特性所导致的电致动行为，二是材料内部残留离子在电场作用下的迁移所造成的端基膨胀所导致的形变。同时，本发明直接在纳米纤维素膜基体上通过溅射沉积方式贴合超薄金属膜电极，其具有与基体材料结合紧密，柔顺致密的特征，因此，材料电致动性能极为优秀，且具有轻质高强的特点。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)与现有的电致驱动材料相比，本发明主要原料为TEMPO氧化纳米纤维，其来源丰富，价格低廉，可再生可降解，环保安全。
(2)与现有纤维素基电致驱动材料相比，本发明采用尺寸均一，长径比大的TOCNF，并且其表面上暴露了很多的羧基，更有利于氢键的形成，这对机械性能和结晶度的提高有很大意义。
(3)与现有的粘贴金属电极或导电聚合物电极的方法相比，利用表面溅射的方法在基材表面直接沉积一层致密的金属膜为电极，该方式得到的金属膜与基体材料贴合非常紧密，而且由于超薄而具有良好柔顺性，解决了传统的在基体表面粘贴金属电极或沉积导电高分子而导致的电极易脱离，基体与电极存在难以避免的空隙以及导电高分子电极导电性弱等一系列实际制备的困难。
(4)与现有的电致驱动材料相比，本发明是一种环保的高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料，同时该材料具有快速响应，低驱动电压，高驱动位移的优点。
附图说明
图1为实施例1～7中不同TOCNF凝胶含量下所得纳米纤维素基电致驱动材料的驱动位移随施加电场时间的变化图(正向10V直流电压)。
图2为实施例1～7中不同TOCNF凝胶含量下所得纳米纤维素基电致驱动材料的驱动位移随施加电场时间的变化图(反向10V直流电压)。
图3为实施例3～5中不同TOCNF凝胶含量下所得纳米纤维素基电致驱动材料在不同电压下偏转60°所需的时间结果图。
图4为本发明实施例3中所得纳米纤维素基电致驱动材料形变随施加电场 (10V直流电压)时间变化的实时照片图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中所用TOCNF凝胶均为采购的商品化原料。
实施例1
首先称取4g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例2
首先称取5g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例3
首先称取6g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例4
首先称取7g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例5
首先称取8g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例6
首先称取9g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例7
首先称取10g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例8
首先称取10g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在50℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例9
首先称取10g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在60℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷金120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例10
首先称取10g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷银120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
实施例11
首先称取10g TOCNF凝胶和20g去离子水先后加到烧杯中，搅拌均匀后将烧杯移入超声震荡器中常温下超声2h，将超声后分布均匀的TOCNF溶液倒入直径为9cm的一次性培养皿中，将培养皿平稳的转移至热风干燥箱中，在40℃下干燥72h得到一张透明的TOCNF膜。将TOCNF膜放在离子溅射仪内在其正反两面各喷铜120s(金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的1％)，取出后得到高驱动性能的纳米纤维素基电致驱动材料。
以上实施例1～7中不同TOCNF凝胶含量下所得纳米纤维素基电致驱动材料的驱动位移随施加电场时间的变化(正向10V直流电压)如图1所示。由图1 结果可见在相同的电压下(正向10V直流电压)，随着TOCNF凝胶含量的增加，纳米纤维素基电致驱动材料的驱动位移先增加，后减小，并且实施例4的材料达到最大驱动位移32mm。
以上实施例1～7中不同TOCNF凝胶含量下所得纳米纤维素基电致驱动材料的驱动位移随施加电场时间的变化(反向10V直流电压)如图2所示。由图2 结果可见在相同的电压下(反向10V直流电压)，随着TOCNF凝胶含量的增加，纳米纤维素基电致驱动材料的反向驱动位移也呈先增加，后减小的趋势，并且实施例4的材料达到最大反向驱动位移42mm。
以上实施例3～5中不同TOCNF凝胶含量下所得纳米纤维素基电致驱动材料在不同电压下偏转60°所需的时间结果如图3所示。由图3结果可见随着驱动电压的增加，纳米纤维素基电致驱动材料偏转60°所需的时间先减小，再增加，再减小，在5V电压下都需要较短的时间就可偏转60°。
以上实施例3中所得纳米纤维素基电致驱动材料形变随施加电场(10V直流电压)时间变化的实时照片图如图4所示。由图4结果可见纳米纤维素基电致驱动材料在10V电压下在8s之内就达到了90°的快速偏转。
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，其它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、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 (7)

1.一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)将TOCNF凝胶在去离子水中搅拌均匀，然后超声处理，得到TOCNF溶液；
(2)将TOCNF溶液放在容器里通过溶剂蒸发自组装成透明TOCNF膜；
(3)在步骤(2)所得透明TOCNF膜表面通过溅射方式沉积一层高导电性金属电极 ，得到所述纳米纤维素基电致驱动材料。
2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述TOCNF凝胶的含量为10％～50％，去离子水的含量为50％～90％。
3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述超声处理的温度为10～50℃，时间为0.5h～5h。
4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述溶剂蒸发的温度为10℃～100℃，时间为0.5h～96h。
5.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述高导电性金属电极 是指金、银、铜或铝电极。
6.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中表面溅射的金属电极的含量为透明TOCNF膜质量的0.1％～5％。
7.一种纳米纤维素基电致驱动材料，其特征在于：通过权利要求1～6任一项所述的方法制备得到。
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