CN113217313B - 响应致动器件、制备方法及应用 - Google Patents

响应致动器件、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种响应致动器件、制备方法及应用，属于智能传感响应技术领域。本发明的多重刺激响应致动器件，依次包括nafion薄膜层，石墨烯层，和PDMS层。本发明的对湿度准确响应致动器件，依次包括nafion薄膜、单层PI、双层PI和PET。本发明的多重刺激响应致动器件，能够实现对热、电和湿度的多重刺激地响应致动；本发明的对湿度准确响应致动器件，能够实现对湿度的准确响应，可应用在无源湿度传感器中，制备方法简便。

Description

响应致动器件、制备方法及应用
技术领域
本发明属于智能传感响应技术领域，具体涉及一种多重刺激响应致动器件、对湿度准确响应致动器件、制备方法及应用。
背景技术
湿度响应致动器的种类比较多，基于石墨烯、碳纳米管、壳聚糖、聚吡咯、聚乙烯醇等，目前的材料基本上能实现多种形变。nafion薄膜对于湿度存在快速的响应，同时耐久性高，相较于以上应用于湿度响应制动器的材料具有易获取、循环寿命好、稳定性高的优点。但是目前基于Nafion薄膜的湿度致动器的报道目前还较少。2018年东华大学发表了《基于分子通道驱动的变形-变色多功能致动薄膜》(“Molecular-ChannelDriven Actuator withConsiderations for MultipleConfigurations and Color Switching”)，发表于《自然》(Nature)子刊《自然·通讯》(Nature Communications)，DOI:10.1038/s41467-018-03032-2)，公开了一种基于nafion薄膜与PET的双层结构乙醇蒸汽响应致动材料，能够响应乙醇蒸汽和水蒸气，并发生形变；但是，文中并未测试该双层致动材料在不同湿度下响应形变情况，同时该复合材料也不存在多重刺激的响应。
柔性智能材料在近年来取得了巨大的进展，对于响应的速度、准确度，多重刺激响应都提出了越来越高的要求。由于目前的致动器活性层主要为石墨烯、MXene、纸基等材料，在多次的吸水脱水过程中材料稳定性不够，同时吸水量难以控制，因此目前报道的绝大部分湿度响应材料，对于湿度的响应准确性仍然存在着很大的进步空间。
发明内容
本发明目的是提供一种响应致动器件、制备方法及应用，能够实现对热、电和湿度的多重刺激地响应致动，实现对湿度的准确响应，可应用在无源湿度传感器中，制备方法简便。
具体地说，一方面，本发明提供了一种多重刺激响应致动器件的制备方法，包括：
将双面PI胶带粘贴在干净的载玻片上，再将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上；
将单面PI胶带粘贴在所述nafion薄膜上，并覆盖整个载玻片，将其放置在二氧化碳激光器中，通过激光在单面PI胶带上得到PI激光致石墨烯层；
通过旋涂方式将PDMS均匀地涂敷在所述PI激光致石墨烯层上，形成粘附在载玻片上的复合材料薄膜；所述PDMS由PDMS的主剂和固化剂混合，静置除去气泡后得到；
将得到的复合材料薄膜进行干燥，将nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，得到多重刺激响应致动器件。
进一步的，所述通过激光得到PI激光致石墨烯层的激光加工速度为100～300mm/s，加工功率为7.5～9.5瓦；所述通过旋涂方式将混合后的PDMS均匀地涂敷在PI激光致石墨烯层上的旋涂转速为400～5000rpm。
另一方面，本发明还提供一种多重刺激响应致动器件的制备方法，包括：
将双面PI胶带粘贴在干净的载玻片上，再将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上；
将石墨烯水溶液沉积在nafion薄膜上，待其干燥形成石墨烯层；
通过旋涂方式将PDMS均匀地涂敷在所述石墨烯层上，形成粘附在载玻片上的复合材料薄膜；所述PDMS由PDMS的主剂和固化剂混合，静置除去气泡后得到；
将得到的复合材料薄膜进行干燥，将nafion薄膜、石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，得到多重刺激响应致动器件。
再一方面，本发明还提供一种多重刺激响应致动器件，采用上述多重刺激响应致动器件的制备方法制备而成，依次包括nafion薄膜层，石墨烯层，和PDMS层。
又一方面，本发明还提供一种对温度准确响应致动器件的制备方法，包括：
将nafion薄膜粘贴在单面PI胶带上；
在所述单面PI胶带的另一面通过双面PI胶带粘贴PET，即得到对湿度准确响应致动器件。
进一步的，所述nafion薄膜的厚度，与单层PI、双层PI及PET厚度之和的比例为1:1。
又一方面，本发明还提供一种对温度准确响应致动器件，采用上述多重刺激响应致动器件的制备方法制备而成，依次包括nafion薄膜、单层PI、双层PI和PET。
又一方面，本发明还提供一种无源湿度传感器，包括上述多重刺激响应致动器件或者对湿度准确响应致动器件。
进一步的，所述多重刺激响应致动器件或者对湿度准确响应致动器件的一端固定在表盘上，表盘上刻度对应不同湿度下的形变角度。
本发明的基于nafion薄膜的响应致动器件、制备方法及应用的有益效果如下：
本发明的多重刺激响应制动器件，采用nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)构成的三层结构，通过简便的制备方法得到，实现了热、电和湿度的多重刺激响应和致动；其中，依靠nafion薄膜与PDMS的不同热膨胀系数，实现热响应致动；依靠石墨烯在通电情况下发热，以及不同层的材料热膨胀系数不同而产生变形，实现电响应致动；依靠nafion薄膜的吸水性，实现湿度响应致动；
基于nafion薄膜在不同湿度中有确定的吸水量；本发明的对湿度准确响应致动器件，通过nafion/PI/PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)三层结构实现了对于不同湿度存在稳定准确的形变响应；
本发明的无源湿度传感器，通过将多重刺激响应制动器件或对湿度准确响应致动器件对不同湿度产生的形变直观地进行显示，无需电源驱动即可对湿度进行准确测量。
附图说明
图1是本发明实施例的多重刺激响应致动器件制备流程示意图。
图2是本发明实施例的多重刺激响应致动器件结构示意图。
图3是本发明实施例1的多重刺激响应致动器件形变角度随温度变化曲线示意图；
图4是本发明实施例1的多重刺激响应致动器件通电变形示意图；
图5是本发明实施例的对湿度准确响应致动器件结构示意图；
图6是本发明实施例4的对湿度准确响应致动器件不同湿度下形变角度测量结果示意图。
图7是本发明实施例6中的无源湿度传感器示意图。
图中标识：1-PDMS层，2-PI致激光石墨烯层，3-nafion薄膜层。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。例如，本发明实施例中使用的PDMS购自道康宁184A。
实施例1：
本发明的一个实施例，为一种多重刺激响应致动器件的制备方法，如图1所示。包括如下步骤：
(1)将双面PI(Polyimide，聚酰亚胺)胶带粘贴在干净的载玻片上，再将50微米厚的nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上。双面PI胶带的尺寸使得nafion薄膜能够牢固地粘贴在双面PI胶带上即可。优选地，在另一个实施例中，将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上之前，还对nafion薄膜进行清洗和干燥。例如，将nafion薄膜浸泡在去离子水中超声3次，每次6分钟，并在90℃烘箱中干燥。
(2)将50微米厚的单面PI胶带粘贴在nafion薄膜上，并覆盖整个载玻片。将此材料放置在二氧化碳激光器中，通过激光在单面PI胶带上得到PI激光致石墨烯层，激光加工速度为100mm/s，加工功率为7.5瓦。
(3)通过旋涂方式将PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)均匀地涂敷在PI激光致石墨烯层上，形成粘附在载玻片上的复合材料薄膜，旋涂转速为400rpm。PDMS由A胶(主剂)和B胶(固化剂)以一定比例(例如10:1)混合，静置除去气泡后得到。
(4)将上一步骤得到的复合材料薄膜进行干燥(例如放置在90℃烘箱中60分钟)后，将nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，剪裁成需要的形状，即得到多重刺激响应致动器件，如图2所示，依次包括nafion薄膜层，石墨烯层，和PDMS层。多重刺激响应致动器件在多重刺激下的形变角度由各层的厚度决定。
优选地，通过调节PDMS层的厚度，可以增加响应形变的程度。PDMS层越厚，则热响应幅度越大，但湿度响应形变会变小，温湿度响应速度变慢。
本发明的制备流程简单，得到的多重刺激响应致动器件能够对热、电和湿度等多重刺激都存在响应和致动。其中，依靠nafion薄膜与PDMS的不同热膨胀系数，实现热响应致动；依靠石墨烯在通电情况下发热，以及不同层的材料热膨胀系数不同而产生变形，实现电响应致动；依靠nafion薄膜的吸水性，实现湿度响应致动。
测量本实施例制备的多重刺激响应致动器件在不同温度下的形变角度，测试结果如图3所示，可以看出，该器件在不同温度下的形变角度与温度成线性关系，能够对温度准确地响应和致动。
观测本实施例制备的多重刺激响应致动器件在电刺激(0.6瓦通电功率)下的形变，测试结果如图4所示，可以看出，该器件在电刺激下发生了明显的形变，能够对电刺激响应和致动。
实施例2：
本发明的一个实施例，为一种多重刺激响应致动器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将双面PI胶带粘贴在干净的载玻片上，再将50微米厚的nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上。优选地，在将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上之前，还对nafion薄膜进行清洗和干燥。例如，将nafion薄膜浸泡在去离子水中超声3次，每次6分钟，并在90℃烘箱中干燥。
(2)将50微米厚的单面PI胶带粘贴在nafion薄膜上，并覆盖整个载玻片。将此材料放置在二氧化碳激光器中，通过激光在单面PI胶带上得到PI激光致石墨烯层，激光加工速度为300mm/s，加工功率为8.5瓦。
(3)通过旋涂方式将PDMS均匀地涂敷在PI激光致石墨烯层上，形成粘附在载玻片上的复合材料薄膜，旋涂转速为2000rpm。PDMS由A胶(主剂)和B胶(固化剂)以一定比例(例如10:1)混合，静置除去气泡后得到。
(4)将上一步骤得到的复合材料薄膜进行干燥(例如放置在90℃烘箱中60分钟)，将nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，剪裁成需要的形状，即得到多重刺激响应致动器件。
实施例3：
本发明的一个实施例，为一种多重刺激响应致动器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将双面PI胶带粘贴在干净的载玻片上，再将50微米厚的nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上。优选地，在将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上之前，还对nafion薄膜进行清洗和干燥。例如，将nafion薄膜浸泡在去离子水中超声3次，每次6分钟，并在90℃烘箱中干燥。
(2)将50微米厚的单面PI胶带粘贴在nafion薄膜上，并覆盖整个载玻片。将此材料放置在二氧化碳激光器中，通过激光在单面PI胶带上得到PI激光致石墨烯层，激光加工速度为300mm/s，加工功率为9.5瓦。
(3)通过旋涂方式将PDMS均匀地涂敷在PI激光致石墨烯层上，形成粘附在载玻片上的复合材料薄膜，旋涂转速为5000rpm。PDMS由A胶(主剂)和B胶(固化剂)以一定比例(例如10:1)混合，静置除去气泡后得到。
(4)将上一步骤得到的复合材料薄膜进行干燥(例如放置在90℃烘箱中60分钟)，将nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，剪裁成需要的形状，即得到多重刺激响应致动器件。
可以理解，实施例1-3中形成PI激光致石墨烯层的步骤可以采用以下步骤替代，其他步骤不变，可以得到与实施例1、2、3类似的三层结构的多重刺激响应致动器件，可以实现相同的功能：
将石墨烯水溶液沉积在Nafion薄膜上，待其干燥形成石墨烯层。
实施例4：
本发明的一个实施例，为一种对湿度准确响应致动器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)取180微米厚的nafion薄膜，将其粘贴在50微米厚的单面PI胶带上。
(2)将120微米厚的PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)通过双面PI胶带粘贴在上一步的单面PI胶带的另一面上，即得到对湿度准确响应致动器件，如图5所示，依次包括nafion薄膜、PI(包括单层PI和双面PI)、PET。
基于nafion薄膜在不同湿度中有确定的吸水量的特点，本实施例通过nafion/PI/PET三层结构实现了对于不同的湿度存在稳定准确的形变响应，。
如果仅采用一层PI胶带(双面PI胶带)将nafion薄膜与PET进行粘附，则在较大湿度情况下对湿度准确响应致动器件的形变过大，形成卷曲，不利于用于形变程度的指示，例如用于无源湿度传感器时在不同湿度下形变的指示。因此，本发明的对湿度准确响应致动器件采用通过单面PI胶带和双面PI胶带这两种PI胶带一起将nafion薄膜与PET进行粘附，经测试，可以有效地解决仅采用双面PI胶带时存在的“在较大湿度情况下对湿度准确响应致动器件的形变过大，形成卷曲”的问题。
如果采用的材料(如PI胶带和PET)过硬，则在较小湿度情况下对湿度准确响应致动器件的形变过小，无法进行合适的湿度指示。
经试验发现，与nafion贴附的材料(如PI胶带和PET)越软，则其厚度应当适度增加，以防止nafion薄膜在湿度影响下产生的形变而发生卷曲；与nafion贴附的材料越硬，则其厚度应当适度减小。具体厚度根据材料特性经多次试验可以获得合适的厚度。优选的，nafion薄膜的厚度与与nafion贴附的材料的厚度(PI胶带和PET厚度之和)为1:1时，可以获得较好的形变响应，且不会发生卷曲。测量结果如图6所示，可以看出，对湿度准确响应致动器件在不同湿度环境发生了不同程度的形变，形变角度与湿度基本成线性关系，即可对湿度产生准确的响应和致动。
实施例5：
本发明的一个实施例，为另一种对湿度准确响应致动器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)取50微米厚的nafion，将其粘贴在20微米厚的单面PI胶带上。
(2)将25微米厚的PET通过双面PI胶带粘贴在上一步的单面PI胶带的另一面上，即得到对湿度准确响应致动器件。
实施例6：
本发明的一个实施例，为一种无源湿度传感器。将实施例1-3任一提供的多重刺激响应致动器件或者实施例4-5任一提供的对湿度准确响应致动器件制成无源湿度传感器。具体方法是，将多重刺激响应致动器件或者对湿度准确响应致动器件的一端固定在表盘上，如图7所示；通过湿度控制平台标定该器件在不同湿度下的形变，然后在表盘上将形变对应刻度标出，即表盘上刻度对应不同湿度下的形变角度，即可得到无源湿度传感器。从标定结果可以看出，多重刺激响应致动器件或对湿度准确响应致动器件在不同湿度环境发生了不同程度的形变，该无源湿度传感器能够对在不同湿度条件下产生的形变直观地进行显示，无需电源驱动，即可对湿度产生准确的响应和致动。
本发明的多重刺激响应制动器件，采用nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)构成的三层结构，通过简便的制备方法得到，实现了热、电和湿度的多重刺激响应和致动；其中，依靠nafion薄膜与PDMS的不同热膨胀系数，实现热响应致动；依靠石墨烯在通电情况下发热，以及不同层的材料热膨胀系数不同而产生变形，实现电响应致动；依靠nafion薄膜的吸水性，实现湿度响应致动；
基于nafion薄膜在不同湿度中有确定的吸水量；本发明的对湿度准确响应致动器件，通过nafion/PI/PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)三层结构实现了对于不同湿度存在稳定准确的形变响应；
本发明的无源湿度传感器，通过将多重刺激响应制动器件或对湿度准确响应致动器件对不同湿度产生的形变直观地进行显示，无需电源驱动即可对湿度进行准确测量。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种多重刺激响应致动器件的制备方法，其特征在于，包括：
将双面PI胶带粘贴在干净的载玻片上，再将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上；
将单面PI胶带粘贴在所述nafion薄膜上，并覆盖整个载玻片，将其放置在二氧化碳激光器中，通过激光在单面PI胶带上得到PI激光致石墨烯层；
将PDMS的A胶和B胶以一定的比例混合，静置除去气泡后，通过旋涂方式将混合后的PDMS均匀地涂敷在所述PI激光致石墨烯层上，形成粘附在载玻片上的复合材料薄膜；
将得到的复合材料薄膜进行干燥，将nafion薄膜、PI激光致石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，剪裁成需要的形状，得到多重刺激响应致动器件。
2.根据权利要求1所述的多重刺激响应致动器件的制备方法，其特征在于，所述通过激光得到PI激光致石墨烯层的激光加工速度为100~300 mm/s，加工功率为7.5~9.5 瓦；所述通过旋涂方式将混合后的PDMS均匀地涂敷在PI激光致石墨烯层上的旋涂转速为400~5000rpm。
3.一种多重刺激响应致动器件的制备方法，其特征在于，包括：
将双面PI胶带粘贴在干净的载玻片上，再将nafion薄膜粘贴在双面PI胶带上；
将石墨烯水溶液沉积在nafion薄膜上，待其干燥形成石墨烯层；
将PDMS的A胶和B胶以一定比例混合，静置除去气泡，通过旋涂方式将混合后的PDMS均匀地涂敷在所述石墨烯层上，形成复合材料薄膜；
将得到的复合材料薄膜进行干燥，将nafion薄膜、石墨烯和PDMS三层结构的复合材料从双面PI胶带上揭下，剪裁成需要的形状，得到多重刺激响应致动器件。
4.一种多重刺激响应致动器件，其特征在于，采用根据权利要求1-3任一所述的多重刺激响应致动器件的制备方法制备而成，依次包括nafion薄膜层，石墨烯层，和PDMS层。
5.一种对湿度准确响应致动器件的制备方法，其特征在于，包括：
将nafion薄膜粘贴在单面PI胶带上；
将PET通过双面PI胶带粘贴在所述单面PI胶带上，即得到对湿度准确响应致动器件；所述nafion薄膜的厚度，与单面PI胶带、双面PI胶带及PET厚度之和的比例为1:1。
6.一种对湿度准确响应致动器件，其特征在于，采用根据权利要求5所述的响应致动器件的制备方法制备而成，依次包括nafion薄膜、单面PI、双面PI和PET。
7.一种无源湿度传感器，其特征在于，包括权利要求4所述的多重刺激响应致动器件或者权利要求6所述的对湿度准确响应致动器件，所述多重刺激响应致动器件或者对湿度准确响应致动器件的一端固定在表盘的中心，表盘上刻度对应不同湿度下的形变角度。
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