CN112109404A - 一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和应用，本发明该驱动薄膜由三明治结构组成：驱动层为聚二甲基硅氧烷‑碳纳米管复合物；连接层为硅胶；被动层为极性较强的聚合物薄膜。该驱动性能主要利用了聚二甲基硅氧烷的溶剂/蒸汽响应性和良好的柔性，以及碳纳米管良好的机械性能。驱动层对多种有机溶剂/蒸汽均有响应性。本发明通过对驱动薄膜表面的结构设计，实现三明治结构薄膜的定向驱动。

Description

一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域，基于高分子/碳纳米管复合物优异的溶剂/蒸汽响应性，实现驱动薄膜的一系列定向运动。
背景技术
自然界中一些动植物会受到外部环境刺激做出响应，例如含羞草在触碰下的收缩、松果在湿度下的开合、向日葵向阳光的移动以及毛膏菜在激素刺激下的叶片卷曲；水母、叶状仔鳗在外界刺激下的游泳动作等。受到自然界响应机械运动现象的启发，近年来仿生机器人的设计层出不穷。许多学者设计开发了一系列新材料以构造柔性驱动器，该种驱动器可以将外部刺激(光、热、电、磁和溶剂等)转换为机械变形。水凝胶因其优异的柔弹性、吸水性，以及响应性单体的兼容性等优点，使其在柔性驱动材料方面得到了快速发展和广泛应用；碳基纳米材料(例如碳纳米管)因其低成本、易于加工、良好的柔韧性、稳定性、独特的光电性能以及高电导率和热导率，因此成为制备软驱动器的重要材料。虽然聚二甲基硅氧烷和碳纳米管各自在不同领域的应用都很广泛，但基于PDMS/CNTs复合材料在柔性驱动领域的研究尚属空缺。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜。本发明所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，包括由驱动层、被动层以及连接驱动层和被动层的连接层组成的三明治结构，其中，所述的驱动层为聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物；被动层为极性较强的聚合物薄膜，包括但不限于聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)等；连接层为聚二甲基硅氧烷。响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致柔性驱动薄膜发生非均匀膨胀，从而引起薄膜宏观形变和定向运动。
本发明的另一目的，在于提供所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜的使用方法，使薄膜接触响应型有机溶剂/蒸汽，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜引发薄膜响应。
本发明的再一目的，在于提供一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜在柔性机器人中的应用。
本发明的再一目的，在于提供一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备碳纳米管阵列，之后将碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷，制备碳纳米管阵列复合聚二甲基硅氧烷复合膜，对复合膜进行超薄切片，得到碳纳米管阵列复合薄膜；
步骤二、利用高压静电纺丝技术制备柔性聚偏二氟乙烯薄膜/聚丙烯腈薄膜/聚乙烯醇薄膜；
步骤三、对驱动层和被动层薄膜进行图案化设计，用硅胶(PDMS)将两层薄膜粘合并固化，获得三明治结构的驱动薄膜。
本发明利用聚合物(PDMS)对多种有机溶剂或蒸汽的快速响应性，掺入碳纳米管垂直阵列，形成具有更高灵敏度和更快驱动速度的高性能响应性复合材料。相较于单层结构，本发明中设计的三明治结构能提高驱动的稳定性和灵敏性，实现可控的复杂3D变形(可逆的弯曲、模拟动态的花朵开花闭合过程)、可重复性(抗疲劳性)。
本发明设计了一种具有三明治结构的柔性驱动薄膜，其中，聚二甲基硅氧烷/碳纳米管复合物为溶剂/蒸汽响应层、聚偏二氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯醇(PVA)电纺聚合物薄膜为被动层，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致其发生非均匀膨胀，从而引起宏观形变和定向运动。与有机软材料相比，碳材料，尤其是碳纳米管(CNTs)和石墨烯及其衍生物，由于其优异的机械性能、良好的柔韧性和稳定性，所以碳材料可以很容易地用其他功能性软物质改性，以形成具有更高灵敏度和更快驱动速度的高性能响应性复合材料；本发明还采用高压静电纺丝技术制备聚偏二氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯醇(PVA)薄膜，静电纺丝技术具有制造设备简单，纺丝成本低，纺丝材料种类多，工艺可控等优点，已成为一种有效制备纳米纤维材料的方法。该柔性驱动薄膜对有机溶剂或蒸汽可实现快速响应，其溶胀比也得到进一步提高，并显示出较大的弯曲角度且在溶剂挥发后恢复其初始形状。本发明系统机理图参考附图1。
本发明的有益效果
1.本发明根据聚合物-溶剂的相似相溶原理，选择有机溶剂(优选为正己烷)作为刺激源，使聚二甲基硅氧烷薄膜发生快速响应(响应速度为<0.1ms)且充分的溶胀变形。
2.本发明中由于碳纳米管和聚合物的界面容易被溶剂填充溶胀，故与纯聚二甲基硅氧烷薄膜相比，碳纳米管复合物薄膜(PDMS/CNTs)的响应性更加剧烈。
3.本发明中驱动薄膜采用三明治结构，驱动层为具有剧烈响应性的PDMS/CNTs复合物薄膜，被动层为柔性好的聚偏二氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯醇(PVA)静电纺丝薄膜，有效的提高了驱动薄膜的柔韧性。
4.本发明中为了解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，利用硅胶(PDMS)作为粘结层，使三明治结构膜重复驱动后仍具有较好的机械性能。
附图说明
图1为溶胀机理图及三明治结构薄膜弯曲实物图
图2为碳膜实物图、PVDF膜实物图
图3为三明治结构花状薄膜的驱动
图4为三明治结构手状驱动薄膜模拟人的不同手势，如OK、耶和棒等
图5为正己烷蒸汽驱动三明治结构长条状薄膜
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。
在本发明较佳实施例中，所述聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物为碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化形成。
在本发明较佳实施例中，所述的响应型有机溶剂/蒸汽包括正(正)己烷、环己烷、(正)戊烷、三氯甲烷、二氯甲烷、二异丙胺、(正)庚烷、三乙胺、乙醚、三氯乙烯、乙二醇二甲醚、二甲苯、叔丁醇、甲苯、笨、乙酸乙酯、四氢呋喃和氯苯等中的至少一种。其中，优选为正己烷。
在本发明较佳实施例中，所述的碳纳米管为管径60-100nm、高结晶度IG/D≈2-3、密度0.1-0.2g/cm3、高度20～1000μm的碳纳米管阵列。
在本发明较佳实施例中，作为连接层的硅胶，为聚二甲基硅氧烷。
在本发明较佳实施例中，聚二甲基硅氧烷A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶使用。
在本发明较佳实施例中，所述的被动层电纺聚合物薄膜包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)。其中，优选为聚偏二氟乙烯(PVDF)。
1.PDMS/CNTs复合膜制备：
以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列。聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，用超薄切片机对薄膜进行切片，得到碳纳米管阵列复合薄膜，实物图如附图2(a)。
2.柔性聚偏二氟乙烯薄膜制备：
将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，采用高压静电纺丝技术，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，得到疏水聚偏二氟乙烯纳米纤维膜，如附图2(b)。
3.采用激光切割技术对驱动层和被动层薄膜进行图案化设计，用硅胶(PDMS)将两层薄膜粘合并固化，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜，最终实现薄膜的定向驱动。
实施例1
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)，实物图参考附图2(a)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，采用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜，如附图2(b)。
第三步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第二步得到的PDMS/CNTs复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s。
第四步，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜；利用激光切割技术，设置切割功率为12W，切割速度为1m/s，对焦后得到长条状三明治结构薄膜(8.5×2×0.181mm)。
第五步，将长条状三明治结构薄膜一端固定，用移液枪取3μl的有机溶剂正戊烷滴在三明治结构复合薄膜另一端，薄膜发生弯曲，其响应时间为0.419s，最大弯曲角度为111°，恢复时间为4.069s。
实施例2
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNTs/PDMS)复合膜(厚79μm)，实物图参考附图2(a)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜，如附图2(b)。
第三步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第二步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s。
第四步，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜；利用激光切割技术，设置切割功率为12W，切割速度为1m/s，对焦后得到长条状三明治结构薄膜(8.5×2×0.181mm)。
第五步，将长条状三明治结构薄膜一端固定，用移液枪取3μl的有机溶剂正己烷滴在三明治结构复合薄膜另一端，薄膜发生弯曲，其响应时间为0.442s，最大弯曲角度为180°，恢复时间为7.850s。
实施例3
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜。
第三步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第二步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s。
第四步，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜；利用激光切割技术，设置切割功率为12W，切割速度为1m/s，对焦后得到长条状三明治结构薄膜(8.5×2×0.181mm)。
第五步，将长条状三明治结构薄膜一端固定，用移液枪取3μl的有机溶剂三氯甲烷滴在三明治结构复合薄膜另一端，薄膜发生弯曲，其响应时间为0.614s，最大弯曲角度为118°,恢复时间为14.574s。
实施例4
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜。
第三步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第二步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s。
第四步，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜；利用激光切割技术，设置切割功率为12W，切割速度为1m/s，对焦后得到长条状三明治结构薄膜(8.5×2×0.181mm)。
第五步，将长条状三明治结构薄膜一端固定，用移液枪取3μl的有机溶剂环己烷滴在三明治结构复合薄膜另一端，薄膜发生弯曲，其响应时间为0.834s，最大弯曲角度为180°，恢复时间为19.991s。
实施例5
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜。
第三步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第二步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s。
第四步，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜；利用激光切割技术，设置切割功率为12W，切割速度为1m/s，对焦后得到长条状三明治结构薄膜(8.5×2×0.181mm)。
第五步，将长条状三明治结构薄膜一端固定，用移液枪取3μl的有机溶剂二氯甲烷滴在三明治结构复合薄膜另一端，薄膜发生弯曲，其响应时间为1.130s，最大弯曲角度为87°，恢复时间为12.891s。
实施例6
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜。
第三步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第二步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s。
第四步，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，获得三明治结构的驱动薄膜；利用激光切割技术，设置切割功率为12W，切割速度为1m/s，对焦后得到长条状三明治结构薄膜(8.5×2×0.181mm)。
第五步，将第四步得到的条状驱动薄膜的响应层(CNT/PDMS)朝上放置在载玻片基底上，用移液枪取6μl的有机溶剂正己烷滴在薄膜正上方，薄膜向上发生弯曲，结构示意图和实物图参考附图1。
实施例7
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜。
第三步，利用激光切割技术，设置切割功率为9W，切割速度为3m/s，对焦后切割得到含有六个花瓣的花朵状PVDF膜；设置切割功率为11W，切割速度为2m/s，对焦后切割得到含有六个花瓣的花朵状空芯CNT/PDMS复合膜。
第四步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第三步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，获得三明治结构的花状驱动薄膜。
第五步，将第四步得到的三明治结构花状驱动薄膜的响应层(CNT/PDMS)朝下放置在载玻片基底上，用移液枪取6μl的有机溶剂正己烷滴在薄膜下方，模拟花朵的开合，如附图3(a)；将第四步得到的三明治结构花状驱动薄膜的响应层(CNT/PDMS)朝上放置在载玻片基底上，用移液枪取6μl的有机溶剂正己烷滴在薄膜上方，薄膜拱起站立，如附图3(b)。
实施例8
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，将聚偏氟乙烯(分子量为100w)粉末溶解在丙酮/二甲基乙酰胺(1:1)混合溶液中，配置14wt％的聚偏氟乙烯溶液，利用溶液静电纺丝法，注射速度设为0.15mm/s、接收速度设为20r/min，平移速度设为100mm/min，环境温度在25℃-30℃之间，环境湿度在30％-41％之间，在高压8-13kV下纺丝2-3h，获得厚度为55μm的疏水聚偏氟乙烯纳米纤维膜。
第三步，利用激光切割技术，设置切割功率为9W，切割速度为3m/s，对焦后切割得到手状PVDF膜；设置切割功率为11W，切割速度为2m/s，对焦后切割得到一定形状的手指状CNT/PDMS复合膜。
第四步，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶备用，对第三步得到的CNT/PDMS复合膜和PVDF膜的表面进行等离子体(plasma)处理，即采用空气作为处理气氛，气体流量为30SCCM，放电功率为100W，时间为120s，用硅胶将两层薄膜粘合，70℃固化3h，获得三明治结构的手状驱动薄膜。
第五步，将第四步得到的三明治结构手状状驱动薄膜的响应层(CNT/PDMS)朝下放置在基底上，用移液枪取足量的有机溶剂正己烷滴在薄膜下方，模拟人的不同手势，如OK、耶和棒等，如附图4。
实施例9
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列/聚合物(CNT/PDMS)复合膜(厚79μm)。
第二步，设置切割功率为11W，切割速度为2m/s，对焦后切割得到长条状CNT/PDMS复合膜(11×1.5×0.079mm)。
第三步，将第二步得到的碳纳米复合膜一端用镊子夹住固定，当正己烷蒸汽靠近时，碳纳米复合膜向上驱动；当撤去正己烷蒸汽时，碳纳米复合膜恢复原状，如附图5。

Claims (10)

1.一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：包括由驱动层、被动层以及连接驱动层和被动层的连接层组成的三明治结构，其中，所述的驱动层为聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物；被动层为极性较强的聚合物薄膜，所述的极性较强的聚合物薄膜包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙烯醇(PVA)；连接层为硅胶，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致柔性驱动薄膜发生非均匀膨胀，从而引起薄膜宏观形变和定向运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物为碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化形成。
3.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述的响应型有机溶剂/蒸汽包括正己烷、环己烷、正戊烷、三氯甲烷和、二氯甲烷、二异丙胺、正庚烷、三乙胺、乙醚、三氯乙烯、乙二醇二甲醚、二甲苯、叔丁醇、甲苯、笨、乙酸乙酯、四氢呋喃和氯苯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述的碳纳米管为管径60-100nm、高结晶度IG/D≈2-3、密度0.1-0.2g/cm3、高度20～1000μm的碳纳米管阵列。
5.根据权利要求4所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述的碳纳米管管径～80nm、高结晶度IG/D≈2.51、密度0.17g/cm3、高度20～1000μm的碳纳米管阵列。
6.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：作为连接层的硅胶，为聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求6所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：聚二甲基硅氧烷A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶使用。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜的使用方法，其特征在于：使薄膜接触响应型有机溶剂/蒸汽，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜引发薄膜响应。
9.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜在柔性机器人中的应用。
10.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备碳纳米管阵列，之后将碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷制备碳纳米管阵列复合聚二甲基硅氧烷复合膜，对复合膜进行超薄切片，得到碳纳米管阵列复合薄膜；
步骤二、采用高压静电纺丝技术制备极性较强的聚合物薄膜；
步骤三、对驱动层和被动层薄膜进行图案化设计，用硅胶(PDMS)将两层薄膜粘合并固化，获得三明治结构的驱动薄膜。
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