CN114523733A - 一种电化学驱动型变色变形双响应致动器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电化学驱动型变色变形双响应致动器及其制备方法，所述致动器以含有锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质为中间层，两侧设置变色变形双网络结构薄膜；其中，所述变色变形双网络结构薄膜为负载五氧化二钒纳米线的单壁碳纳米管导电层。本发明具有良好的光学性能和致动性能，且转变速率快，柔韧性好，这都使其在传感、防伪、织物显示、伪装甚至军工领域都有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于致动器领域，特别涉及一种电化学驱动型变色变形双响应致动器及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，高度便携化、智能化、多功能化可穿戴设备成为发展的主流，形状和颜色作为可穿戴设备重要功能，在时尚、伪装、警示等多个领域发挥着不可或缺的作用。特别是近几年，随着侦察手段的不断改进与发展，对于伪装技术的要求越来越高。另外，人们对于可穿戴设备与器件的可变色性的要求越来越高，如何实现现有光电器件与设备的可变形性与可变色性一体化成为一系列研究的重点。
对于传统的致动器技术来说，只可发生单一的形变，这种单一的形状变化，限制了致动器在军事伪装领域的应用。作为目前最有应用前景的智能器件之一，电化学驱动型变色变形双响应致动器为解决颜色、形状可智能化改变的问题提供了一个很好的途径，其可以在外加电场的刺激下，可控且可逆地变换致动器颜色和形状，并且可以通过不同材料的应用与复合，实现多种颜色和形状转换的多重效果因而具有很高的研究意义和商业价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电化学驱动型变色变形双响应致动器及其制备方法，该致动器具有良好的光学性能和致动性能，且转变速率快，柔韧性好，这都使其在传感、防伪、织物显示、伪装甚至军工领域都有广泛的应用前景。
本发明提供了一种电化学驱动型变色变形双响应致动器，所述致动器以含有锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质为中间层，两侧设置变色变形双网络结构薄膜；其中，所述变色变形双网络结构薄膜为负载五氧化二钒纳米线的单壁碳纳米管导电层。
本发明还提供了一种电化学驱动型变色变形双响应致动器的制备方法，包括：
(1)将单壁碳纳米管超声分散于水中，得到单壁碳纳米管分散液，将五氧化二钒纳米线超声分散于水中，得到五氧化二钒纳米线分散液；
(2)将单壁碳纳米管分散液抽滤到聚乙烯薄膜上，随后剥离得到单壁碳纳米管导电层，在导电层上抽滤五氧化二钒纳米线分散液，然后烘干后得到变形变色双层网络结构薄膜；
(3)将两层变形变色双层网络结构薄膜通过含有锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质黏合，得到电化学驱动型变色变形双响应致动器。
所述步骤(1)中的单壁碳纳米管的超声时间为1.5-2.5h；单壁碳纳米管分散液的浓度为0.1-0.5mg/ml。
所述步骤(1)中的五氧化二钒纳米线的超声时间为1-5min；五氧化二钒纳米线分散液的浓度为0.5-1.5mg/ml；五氧化二钒纳米线的长度为100nm-5μm。
所述步骤(2)中的单壁碳纳米管分散液和五氧化二钒纳米线分散液的体积比为1-5:1-5。
所述步骤(2)中的单壁碳纳米管导电层厚度为0.1-2.5μm，抽滤五氧化二钒纳米线分散液形成的活性层的厚度为0.5-8μm；变形变色双层网络结构薄膜的厚度为0.6-10.5μm，面积为5cm2-30cm2。
所述步骤(3)中的锂盐浓度为1mol/L。
所述步骤(3)中的含有锂盐的凝胶电解质的厚度为2-100μm。
所述步骤(3)中的电化学驱动型变色变形双响应致动器的厚度为3.2-121μm。
本发明使用抽滤法在聚乙烯薄膜上快速制备了单壁碳纳米管导电层，并在单壁碳纳米管导电层上制备了变色变形双响应活性层，通过凝胶电解质黏合，制备成电化学驱动型变色变形双响应致动器。
有益效果
(1)本发明具有良好的光学性能和致动性能，且转变速率快，柔韧性好，这都使其在传感、防伪、织物显示、伪装甚至军工领域都有广泛的应用前景。
(2)本发明使用连续抽滤法，实现了单壁碳纳米管导电层以及五氧化二钒纳米线变色变形双响应层的均匀制备，不需要任何烧结等后处理过程；
(3)本发明可通过分散液浓度和用量、纳米线长度、电解质层厚度、抽滤面积等参数的调整，实现不同性能的变色致动双响应薄膜的制备；
(4)本发明工艺简单，适合大面积制备，实现了电化学驱动型变色变形双响应致动器的弯曲致动幅度以及很小的重量，扩大了其在多个领域中的应用。
附图说明
图1为实施例1制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的结构示意图；
图2为实施例1制备的五氧化二钒纳米线的扫描电镜图；
图3为实施例1制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的双网络结构的扫描电镜图；
图4为实施例1制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的截面扫描电镜图；
图5为实施例1制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器在初始状态以及在+1.8V与-1.8V电压驱动下的数码照片；
图6为实施例1制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的致动性能测试图；
图7为实施例1制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器变色前后的颜色对比度测试图；
图8为实施例1中电化学驱动型变色变形双响应致动器图案化设计，(a)制作成花朵的器件，在+1.8V与-1.8V电压驱动下发生变色变形的数码照片，(b)为仿生章鱼的器件，在+1.8V与-1.8V电压驱动下发生变色变形的数码照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将单壁碳纳米管加入到水中，超声分散2h，配置成单壁碳纳米管分散液，单壁碳纳米管分散液浓度为0.15mg/ml，将五氧化二钒纳米线加入去离子水中，超声分散2min，配置成长度约为3μm的五氧化二钒纳米线分散液，浓度为1mg/ml；将浓度为0.15mg/ml的单壁碳纳米管分散液，用量为2ml，抽滤到面积为10cm2的聚偏氟乙烯薄膜上，随后剥离，得到导电层，随后将浓度为1mg/ml的五氧化二钒纳米线分散液，用量为3ml，抽滤到导电层上，将抽滤得到的薄膜在30℃热台上加热，得到变形变色双层网络结构薄膜；最后将变形变色双层网络结构薄膜通过含有1mol/L锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质黏合，其中凝胶电解质厚度为9μm，得到厚度仅有18μm，面积为3.8cm2的电化学驱动型变色变形双响应致动器。
图1为制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的结构示意图，活性层为五氧化二钒纳米线功能层，导电层为单壁碳纳米管层，电解质层为聚偏氟乙烯层，电解质离子为Li+；图2为制备的五氧化二钒纳米线的扫描电镜图，可知五氧化二钒纳米线的长径比较大，且尺寸分布均匀；图3为制备的五氧化二钒纳米线和单壁碳纳米管组成的双网络结构的扫描电镜图，可知五氧化二钒纳米线紧密均匀的交织在单壁碳纳米管上；图4为制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的扫描电镜图，可知双网络结构紧密缠结在一起，并和电解质中间层紧密结合；图5为制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的数码照片，可知电化学驱动型变色变形致动器具有较大的致动距离；图6为制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的致动性能测试，可知电化学响应型变色变形致动器的致动距离达到了9.7mm，且致动是由于活性层的晶格膨胀引起；图7为制备的电化学驱动型变色变形双响应致动器的颜色对比度测试，可知在器件发生弯曲变形的同时伴随着颜色的变化；图8为将电化学驱动型变色变形双响应致动器设计成不同图案化，进行变色变形演示的数码照片。
实施例2
将单壁碳纳米管加入到水中，超声分散2h，配置成单壁碳纳米管分散液，单壁碳纳米管浓度为0.15mg/ml，将五氧化二钒纳米线加入去离子水中，超声分散2min，配置成长度约为3μm五氧化二钒纳米线分散液，浓度为1.5mg/ml；将浓度为0.15mg/ml的单壁碳纳米管分散液，用量为2ml，抽滤到面积为10cm2聚偏氟乙烯薄膜上，随后剥离，得到导电层，随后将浓度为1.5mg/ml的五氧化二钒纳米线分散液，用量为3ml，抽滤到导电层上，将抽滤得到的薄膜在30℃热台上加热，得到双响应薄膜；最后将双响应薄膜通过含有1mol/L锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质黏合，其中凝胶电解质厚度为2μm，得到的厚度仅有11μm，面积为3.8cm2的电化学驱动型变色变形双响应致动器。由于五氧化二钒纳米线的浓度提高，使得变色致动活性层变厚，变色、致动性能变好。由于器件厚度变薄，会引起器件短路，导致致动器件而不能正常工作。
实施例3
将单壁碳纳米管加入到水中，超声分散2h，配置成单壁碳纳米管分散液，单壁碳纳米管浓度为0.5mg/ml，将五氧化二钒纳米线加入去离子水中，超声分散2min，配置成长度约为3μm的五氧化二钒纳米线分散液，浓度为1mg/ml；将浓度为0.5mg/ml的单壁碳纳米管分散液，用量为5ml，抽滤到面积为30cm2聚偏氟乙烯薄膜上，随后剥离，得到导电层，随后将浓度为1mg/ml的五氧化二钒纳米线分散液，用量为3ml，抽滤到导电层上，将抽滤得到的薄膜在30℃热台上加热，得到变形变色双层网络结构薄膜；最后将变形变色双层网络结构薄膜通过含有1mol/L锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质粘接，其中凝胶电解质厚度为100μm，得到的厚度为109μm，面积为3.8cm2的电化学驱动型变色变形双响应致动器。由于碳管含量的增加，使单壁碳纳米管分散液中的导电物质增加，导电性变好，变形变色的速率加快，但是由于抽滤时的面积增加，使器件上的五氧化二钒纳米线的负载量降低，使得变形变色能力下降，此外，电解质层的变厚，导致器件厚度变厚，器件质量变重，使器件的致动性能变差。
实施例4
将单壁碳纳米管加入到水中，超声分散2h，配置成单壁碳纳米管分散液，单壁碳纳米管浓度为0.15mg/ml，将五氧化二钒纳米线加入去离子水中，超声分散5min，配置成长度约为200nm五氧化二钒纳米线分散液，浓度为1.5mg/ml；将浓度为0.15mg/ml将单壁碳纳米管分散液，用量为2ml，抽滤到面积为5cm2聚偏氟乙烯薄膜上，随后剥离，得到导电层，随后将浓度为0.5mg/ml的五氧化二钒纳米线分散液，用量为5ml，抽滤到导电层上，将抽滤得到的薄膜在30℃热台上加热，得到变形变色双层网络结构薄膜；最后将变形变色双层网络结构薄膜通过含有1mol/L锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质粘接，其中凝胶电解质厚度为9μm，得到的厚度仅有28μm，面积为3.8cm2的电化学驱动型变色变形双响应致动器。由于抽滤面积降低，导致局部氧化钒浓度变大，使得变色变形性能变好，但是器件结构变厚，变色致动性能响应速度减慢，五氧化二钒纳米线超声时间的增加，使纳米线的长度变短，纳米线之间的连接性变差，循环稳定性变差。
实施例5
将单壁碳纳米管加入到水中，超声分散2h，配置成单壁碳纳米管分散液，单壁碳纳米管浓度为0.5mg/ml，将五氧化二钒纳米线加入去离子水中，超声分散1min，配置成长度约为5μm的五氧化二钒纳米线分散液，浓度为1.5mg/ml；将浓度为0.5mg/ml的单壁碳纳米管分散液，用量为5ml，抽滤到面积为10cm2聚偏氟乙烯薄膜上，随后剥离，得到导电层，随后将浓度为1.5mg/ml的五氧化二钒纳米线分散液，用量为5ml，抽滤到导电层上，将抽滤得到的薄膜在30℃热台上加热，得到变形变色双层网络结构薄膜；最后将变形变色双层网络结构薄膜通过含有1mol/L锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质粘接，其中凝胶电解质厚度为15μm，得到的厚度仅有36μm，面积为3.8cm2的电化学驱动型变色变形双响应致动器。由于单壁碳纳米管含量的增加，导致导电性增加，但是由于五氧化二钒纳米线的用量增加，导致器件结构变厚，变色致动性能响应速度减慢，五氧化二钒纳米线超声时间的减少，使纳米线的长度变长，纳米线之间团聚，导致循环稳定性变差。
实施例6
将单壁碳纳米管加入到水中，超声分散2h，配置成单壁碳纳米管分散液，单壁碳纳米管浓度为0.1mg/ml，将五氧化二钒纳米线加入水中，超声分散2min，配置成长度约为3μm的五氧化二钒纳米线分散液，浓度为0.5mg/ml；将浓度为0.1mg/ml的单壁碳纳米管分散液，用量为1ml，抽滤到面积为10cm2聚偏氟乙烯薄膜上，随后剥离，得到导电层，随后将浓度为0.5mg/ml的五氧化二钒纳米线分散液，用量为1ml，抽滤到导电层上，将抽滤得到的薄膜在30℃热台上加热，得到变形变色双层网络结构薄膜；最后将变形变色双层网络结构薄膜通过含有1mol/L锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质粘接，其中凝胶电解质厚度为9μm，得到的厚度仅有18μm，面积为3.8cm2的电化学驱动型变色变形双响应致动器。由于单壁碳纳米管含量的减少，导致导电性降低，响应速度减慢，由于五氧化二钒纳米线的用量减少，变色性能和致动性能均大幅下降。
Claims (9)
1.一种电化学驱动型变色变形双响应致动器，其特征在于：所述致动器以含有锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质为中间层，两侧设置变色变形双网络结构薄膜；其中，所述变色变形双网络结构薄膜为负载五氧化二钒纳米线的单壁碳纳米管导电层。
2.一种电化学驱动型变色变形双响应致动器的制备方法，包括：
(1)将单壁碳纳米管超声分散于水中，得到单壁碳纳米管分散液，将五氧化二钒纳米线超声分散于水中，得到五氧化二钒纳米线分散液；
(2)将单壁碳纳米管分散液抽滤到聚乙烯薄膜上，随后剥离得到单壁碳纳米管导电层，在导电层上抽滤五氧化二钒纳米线分散液，然后烘干后得到变形变色双层网络结构薄膜；
(3)将两层变形变色双层网络结构薄膜通过含有锂盐的聚偏氟乙烯凝胶电解质黏合，得到电化学驱动型变色变形双响应致动器。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的单壁碳纳米管的超声时间为1.5-2.5h；单壁碳纳米管分散液的浓度为0.1-0.5mg/ml。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的五氧化二钒纳米线的超声时间为1-5min；五氧化二钒纳米线分散液的浓度为0.5-1.5mg/ml；五氧化二钒纳米线的长度为100nm-5μm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的单壁碳纳米管分散液和五氧化二钒纳米线分散液的体积比为1-5:1-5。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的单壁碳纳米管导电层厚度为0.1-2.5μm，抽滤五氧化二钒纳米线分散液形成的活性层的厚度为0.5-8μm；变形变色双层网络结构薄膜的厚度为0.6-10.5μm，面积为5cm2-30cm2。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的锂盐浓度为1mol/L。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的含有锂盐的凝胶电解质的厚度为2-100μm。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的电化学驱动型变色变形双响应致动器的厚度为3.2-121μm。
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