CN110911545A - 多响应驱动薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过将超顺排碳纳米管(SACNT)薄膜和油墨附着在PET膜的两面上来制备油墨/PET/SACNT复合膜(IPS)，该IPS能够同时响应近红外光(NIR)，电，湿度和挥发性有机蒸气四种信号，当施加这四种信号时，多响应复合膜会向SACNT侧弯曲，移除信号时又能恢复原状，具有快速响应、致动速度快、致动幅度大的优点。
Description
技术领域
本发明属于智能驱动材料领域，具体涉及一种多响应驱动薄膜及其制备方法。
背景技术
能够响应各种外部刺激，如热，光，电，磁，湿度和有机蒸汽的智能驱动材料，因其具有快速响应，大变形，可逆和可控运动的优点，在电机，传感器，软机器人，人造肌肉等中的潜在应用而备受关注。然而，大多数双压电晶片致动器都是单个刺激驱动，限制了其在复杂情况下的应用，而能够将电/光能转换成机械能的电热和光热驱动器引起了无线/遥控的极大兴趣，此外由湿度或有机蒸汽驱动的驱动器因为它们可以感知和适应不同的环境刺激也被广泛研究，可用于传感器，开关，电源等设备中。因此，由湿度和光，电和光，电和湿，湿度和有机蒸汽或三种类型混合的多个信号响应的驱动器已经有报道，例如，Wang等人开发出由湿度，热量和电力驱动的碘掺杂还原氧化石墨烯(rGO)/rGO驱动器(Single Janusiodine-doped rGO/rGO film with multi-responsive actuation and highcapacitance for smart integrated electronics，Nano Energy 53(2018)916-925)。Wang的研究小组还制造了一种酸化的单壁碳纳米管/低密度聚乙烯，它能够响应多种刺激，如电，近红外光和有机蒸气(Dual-Mechanism and Multimotion Soft Actuators Basedon Commercial Plastic Film，ACS Appl.Mater.Inter.10(17)(2018)15122-15128)。尽管在多响应致动器的设计和开发方面已经取得了很大进展，但到目前为止，还没有报道能包括光，电，湿度和有机蒸汽在内的四种类型的多刺激响应的驱动器。
典型的双晶片驱动器包含双层结构，并且致动性能取决于外部刺激时两层之间的不对称膨胀/膨胀。通常，多响应驱动器的性能往往低于单刺激驱动器的性能，因为在材料选择和结构设计方面总是存在折衷。此外，多响应驱动器的每一层在不同的刺激下发生膨胀并起主导作用，因此可能会导致弯曲方向不一致，特别是对于热湿响应的驱动器。当两种类型的刺激共同退出时，驱动性能可能恶化。因此，迫切需要开发能够在多种刺激下弯曲到相同方向的高性能驱动器。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明首次通过简单地将超顺排碳纳米管(SACNT)薄膜和油墨附着在PET膜的两面上来制备油墨/PET/SACNT复合膜(IPS)，该IPS能够同时响应近红外光(NIR)，电，湿度和挥发性有机蒸气四种信号，当施加这四种信号时，多响应复合膜会向SACNT侧弯曲，移除信号时又能恢复原状，如图1所示，且具有快速响应、致动速度快、致动幅度大的优点。
所述IPS的油墨层、pet层，SACNT层之间没有明显的分层，PET膜(又名耐高温聚酯薄膜)作为钝化层，主要起到支撑作用，而所述油墨因其高的热膨胀系数(CTE)，在NIR区域具有强吸收，可作为热膨胀层；附着在PET膜上的柔性SACNT具有疏水性、负的CTE，其优异的导电性可用于电加热。
所述油墨是由炭黑、聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮混合溶剂中制备而成，油墨层含有大量亲水基团，如-OH或-NH键，拉伸振动峰值在3439cm-1，如图2所示，1643cm-1和1734cm-1的峰值可能归因于N-H的弯曲振动和C＝O的拉伸振动，油墨在水、乙酸乙酯、乙醇和甲苯中体积膨胀增加分别为0.71％，0.74％，1.6％和1.9％，因此，水分和有机蒸气都容易被油墨层吸收，导致油墨膜膨胀。
所述油墨层和SACNT薄膜均具有NIR光吸收效应，如图3所示，显示出强烈的光热效应。因此，在NIR照射时，由于加热时油墨层(106ppmK-1)、pet层(40ppmK-1)和SACNT层(-1.4ppmK-1)CTE的极大不匹配，使得IPS驱动薄膜可能产生弯曲致动，此外，由于SACNT良好的导电性，当向该薄膜施加电压时，该薄膜在电热驱动下向SACNT侧弯曲。当电压被移除后，伴随着温度冷却至室温，驱动器又恢复到初始状态。
所述SACNT薄膜是通过化学气相沉积法在硅片上生长出的高度为249μm SACNT阵列，用刀片或胶带从该阵列中牵拉出薄薄的碳纳米管薄膜，层层叠加形成SACNT膜，SACNT层数对IPS驱动性能有重要影响，层数太少，影响薄膜的导电性能；层数太多时碳纳米管较强的力学性能会降低IPS薄膜的致动幅度和致动速度，因此SACNT层数10-50为宜，优选地，可以选择层数为30。
此外，SACNT的取向对机械强度有很大影响，继而影响到SACNT驱动器的驱动变形行为，如图4所示，具有不同SACNT取向方向的IPS薄膜在NIR照射下产生不同的变形，为了描述复合薄膜的各向异性，将α定义为SACNT取向与IPS薄膜纵向之间的角度。当α＝0°时，在NIR照射时条带向下弯曲，而α＝45°时，条带呈右旋螺旋变形。当SACNT取向方向垂直于条带的长度方向(即α＝90°)时，在NIR照射时，IPS薄膜显示出“滚动”构象，然后变为平坦，形成具有快速且可逆的致动行为。这与SACNT在纵向(高模量)和横向(低模量)方向的模量差异有关。因此，随着温度升高，与SACNT的长度方向相比，膜在宽度方向上扩展得更多，导致IPS膜沿着SACNT的长度方向弯曲。如果SACNT取向与IPS带的纵向之间的角度(α)不为零，则致动器也将沿着SACNT的长度方向弯曲，导致IPS致动器的卷曲。由于IPS膜的大纵横比和SACNT的不对称模量的组合，纵向(高模量)决定了致动器的卷曲方向。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1多响应驱动薄膜在不同信号刺激下驱动示意图；
图2多响应驱动薄膜油墨层的FTIR光谱图；
图3油墨层和SACNT薄膜的吸收光谱图；
图4不同SACNT取向的IPS膜在NIR照射下的弯曲致动示意图；
图5多响应驱动薄膜制备过程示意图；
图6多响应驱动薄膜在130mWcm-2红外光照射下弯曲角度与温度变化关系图；
图7多响应驱动薄膜的弯曲致动角度示意图；
图8多响应驱动薄膜在130mWcm-2红外光照射下驱动角度与驱动速度变化关系图；
图9多响应驱动薄膜接近液氮前后变化图；
图10不同激发频率电压下多响应驱动薄膜驱动位移变化图；
图11多响应驱动薄膜在5Hz方波电压下驱动上万次的位移变化图：
图12多响应驱动薄膜靠近水滴前后驱动变化图；
图13多响应驱动薄膜致动角度随湿度变化图；
图14多响应驱动薄膜在20％湿度和95％湿度下反复驱动弯曲角度变化图；
图15多响应驱动薄膜在不同有机蒸汽下的驱动情况变化图。
具体实施方式
多响应驱动薄膜的制备流程如图5所示，具体包括如下步骤：
(1)油墨层制备：将炭黑(3-5％)，聚氨酯(30％)溶解在乙酸乙酯和丙酮(20％/80％)的混合溶剂中，混匀后均匀涂布在长方形PET膜的一面上，其中PET膜厚度为1.6μm，油墨层厚度为1.2μm；
(2)SACNT层制备：通过化学气相沉积在硅片上生长的SACNT薄膜，厚度为249μm，碳纳米管直径约为10nm，壁数为9。用刀片从SACNT薄膜拉出碳纳米管阵列，取30层铺设在PET膜的另一面，使SACNT取向方向与PET膜长度方向平行，形成SACNT层，厚度为0.31μm，然后用无水乙醇浸润SACNT薄膜，使其致密化。
图6显示了多响应驱动薄膜在130mW cm-2NIR照射下的弯曲角度和温度与时间变化函数。IPS膜的弯曲角度的计算如图7所示，它可以在0.55秒内达到最大弯曲角度212°，相当于为646°s-1大的弯曲速度，如图8所示，伴随温度从23.8升至6.6℃，然后在0.67秒内返回初始状态，总驱动周期为1.22秒。快速恢复应归功于IPS驱动器的较小的薄膜厚度，可以实现快速散热和空气中的快速冷却。我们研究了它在低温环境下的驱动行为，当薄膜接近液氮表面时，薄膜朝着油墨侧弯曲到半圆形，这应该归因于冷却过程中油墨层的收缩，去除液氮时，致动器恢复其原始形状，如图9所示。
本发明提供的多响应驱动薄膜在不同激发频率电压下均可完成驱动，当方波电压的激发频率从0.01增加到20Hz(0-10V)时，电热薄膜的驱动位移从8.3降低到0.7mm，如图10所示。测试了10000次5Hz方波电压下电热薄膜的位移振动情况，显示其性能几乎没有明显衰减，如图11所示，该电热驱动薄膜具有高的循环稳定性。
图12显示了带有水滴的手指接近IPS膜时，该薄膜可以产生弯曲致动。IPS膜对湿度敏感，最大弯曲角度与湿度变化的函数关系在图13中示出，插图描述了在特定湿度下的弯曲致动。当RH从20％增加到95％时，IPS在30秒内表现出145°的大弯曲角度，相当于2cm-1的曲率，然后通过当湿度从95降低至20％RH时，在55秒内又恢复到初始状态。致动器的致动性能在20％至95％的重复湿度变化下进行100次循环，并且没有观察到明显的降解(如图14所示)，表明IPS膜的致动性能非常稳定。
图15展示了在不同挥发性有机蒸气如甲醇，乙醇，丙酮，乙酰乙基，甲苯和石油下IPS的致动行为。如图所示，溶剂表面与膜之间的距离为1cm。薄膜吸附有机蒸气并膨胀以朝向SACNT侧弯曲，IPS膜在暴露于上述溶剂时，在大约0.1秒内表现出大的变形，曲率为3.7cm-1，并且在去除溶剂时恢复到其初始形状。
另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.多响应驱动薄膜，包括油墨层、pet层和超顺排碳纳米管，其特征在于，所述油墨层和超顺排碳纳米管分别位于pet层的两侧。
2.根据权利要求1所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述超顺排碳纳米管的取向方向与PET膜长度方向呈α角度，其特征在于α≥0°。
3.根据权利要求2所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述超顺排碳纳米管的层数为30层。
4.根据权利要求2所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述薄膜在近红外光、电压、湿度、液氮、有机蒸汽环境中产生弯曲致动，并在环境移除后恢复原状。
5.根据权利要求4所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述弯曲致动的方向都是向超顺排碳纳米管一侧弯曲。
6.根据权利要求4所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述电压是激发频率为0.01HZ-20HZ的方波电压。
7.根据权利要求4所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述相对湿度≥20％。
8.根据权利要求4所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述有机蒸汽是甲醇，乙醇，丙酮，乙酰乙基，甲苯或石油。
9.根据权利要求4-8所述的多响应驱动薄膜，其特征在于，所述弯曲致动次数≥100。
10.根据权利要求1所述的多响应驱动薄膜的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)油墨层制备：将炭黑(3-5％)，聚氨酯(30％)溶解在乙酸乙酯和丙酮(20％/80％)的混合溶剂中，混匀后均匀涂布在长方形PET膜的一面上，其中PET膜厚度为1.6μm，油墨层厚度为1.2μm；
(2)SACNT层制备：通过化学气相沉积在硅片上生长的SACNT薄膜，厚度为249μm，碳纳米管直径约为10nm，壁数为9。用刀片从SACNT薄膜拉出碳纳米管阵列，取30层铺设在PET膜的另一面，使SACNT取向方向与PET膜长度方向平行，形成SACNT层，厚度为0.31μm，然后用无水乙醇浸润SACNT薄膜，使其致密化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200324 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |