CN114591526A - 一种石墨纳米片基复合膜驱动器、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨纳米片基复合膜驱动器、制备方法及其应用。所述复合膜驱动器是以高分子材料为基片，在基片两侧涂有由干燥形成的石墨纳米片膜层；所述复合膜通过交错排布在基片两侧，具有高柔性和低电阻率的特点，并可由通电、光照或温度变化驱动变形。本发明还公开了该驱动器的制备方法及应用，该制备方法的优点是流程简单可靠、操作性强、适应性广，可广泛应用于石墨纳米片与众多体系的混合制备中。本发明提供的制备方法使用介质成膜，成本低、污染小、有效节约资源。本发明提供的方法所制备的石墨纳米片基复合膜驱动器可广泛应用于微型机器人、机械手、人工肌肉、人工关节、智能驱动等领域。

Description

一种石墨纳米片基复合膜驱动器、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及碳材料领域，具体地涉及一种石墨纳米片基复合膜驱动器的制备方法、由此方法制得的复合膜及其应用。

背景技术

随着科技的飞速发展，仿生机器人，灵活的镜头聚焦以及动态的盲文显示已经成为新一代的需求。这就要求驱动器能够完成不连续的、灵敏的、复杂的行动。传统的驱动器如内燃机、电动机、压电陶瓷等均已不能满足这种需求，新型的可以灵敏变形的驱动器已经成为研究热点。

近年来，电热驱动器(electro-thermal actuators,ETAs)越来越受研究人员的关注，主要是由于它的低电压驱动和不需要电解质。这种驱动器主要分为两种类型：一种是单一的复合膜，可以通过温度的上升或下降进行收缩或扩大；另一种是由两种柔软可弯曲的具有不同热膨胀系数的电极材料构成双层复合膜，通过施加电或光照改变其表面的温度，由于两种膜对外界刺激产生不对称变化，膜会向一侧弯曲。碳纳米管由于具有良好的导电性和可弯曲性，被广泛运用于电极材料。

然而，碳纳米管的制备工艺复杂、成本高昂，这在很大程度上限制了碳纳米管在电热驱动器中的应用。因此，寻求一种低成本、环境友好、高导电、高柔性的复合膜成为本领域的迫切需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种石墨纳米片基复合膜驱动器的制备方法、由此方法制得的复合膜及其应用。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

S01：将天然石墨或者膨胀石墨和表面活性剂加入到水或水和乙醇的混合溶液中，通过剥离制得石墨纳米片分散液，将所述分散液经分离、干燥得到石墨纳米片；

S02：将所得的石墨纳米片与介质、分散剂和粘结剂按一定比例混合，得到石墨纳米片混合溶液；

S03：将所得的石墨纳米片混合溶液分别涂覆到高分子材料基片的两个侧面上，干燥形成石墨纳米片膜层，制成复合膜。

进一步地，上述石墨纳米片基复合膜的制备方法中，所述步骤S01中采用的剥离方式为超声剥离或机械剥离；所述表面活性剂为羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的至少一种。所述石墨纳米片的片径为0.1～600μm，厚度为5～200nm。

进一步地，上述石墨纳米片基复合膜的制备方法中，所述步骤S02中介质为水、醇或水与醇的混合物，所述醇为可溶于水的一元醇、二元醇、多元醇中的至少一种，所述水与醇的混合物中二者体积比为1:10～10:1，所述石墨纳米片占所述介质的重量百分比为0.1％～20％。所述分散剂为羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，分散剂占所述石墨纳米片的重量百分比为0.1％～50％；所述粘结剂为丙烯酸树脂和丙烯酸改性树脂、环氧树脂和环氧树脂改性树脂、聚氨酯树脂和聚氨酯改性树脂中的一种或多种，粘结剂占所述石墨纳米片的重量百分比为1％～100％。

进一步地，上述石墨纳米片基复合膜的制备方法中，所述步骤S03中，通过溶剂蒸发、溶液涂覆、流延、喷淋、涂刷中的一种或多种方法将石墨纳米片混合溶液涂覆到基片上；所述高分子材料基片采用热膨胀系数大于7×10^-6/℃的材料；所述高分子材料基片为聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶中的一种。

根据本发明的另一个方面，提出一种石墨纳米片基复合膜，其是通过前述之一的方法制备的。

进一步地，上述复合膜中，所述石墨纳米片膜层的厚度为60～300μm，所述基片的厚度为10～200μm。

根据本发明的又一个方面，提出一种热驱动的柔性驱动器，其包括上文所述的复合膜；电极。

进一步地，上述一种热驱动的柔性驱动器，所述石墨纳米片基复合膜中，位于高分子材料基片两侧的石墨纳米片膜层是不对称排布的。

进一步地，上述一种热驱动的柔性驱动器，所述电极与所述石墨纳米片基复合膜中的石墨纳米片膜层电连接；所述电极为金属电极或者银浆；所述银浆涂覆在石墨纳米片膜层上；所述金属电极为铝片、铜片、镍片中的一种，通过银浆粘贴在所述石墨纳米片膜层上。

进一步地，上述一种热驱动的柔性驱动器，所述两侧石墨纳米片膜层的排布方式为交错排布的条形、网格形、棋盘形中的一种。

进一步地，上述柔性驱动器为条形、手形、八爪形、叶片形、阵列形、树枝形中的一种。

本发明提出的石墨纳米片基复合膜驱动器、制备方法及其应用，与现有技术相比具有以下优势：

基于上述石墨纳米片基复合膜的热驱动器，在高分子基片的两侧采用不对称涂覆方式，通过电热、光热或温度变化等多种方式驱动，通过控制自变量作用时间，实现高分子基片的两侧膜层长度的可控改变，进而在整体形状上得到S型或W型弯曲。上述石墨纳米片基复合膜的热驱动器的驱动电压低、能耗低、变形灵敏并且重复性好，还可以通过调节电压、通电时间、光照时间等参数实现形变量控制，可以很好地满足柔性驱动器、微型机器人、人工肌肉等领域的技术需求。

附图说明

图1为本发明的石墨纳米片基复合膜驱动器制备方法的流程图。

图2为本发明一个实施例制备的石墨纳米片基复合膜的扫描电镜照片。

图3为本发明一个实施例制备的条形驱动器结构示意图，图4为该条形驱动器的正常状态图，图5为该条形驱动器的工作状态图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必釆用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着，结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。以下参考附图对本发明进行具体描述。

在以下结合附图对本发明的技术方案进行的描述中，附中各个元素的尺寸、比例及位置关系只是示例性的，所图示的各元件之间的连接方式也只是为了进行说明，其均不用于限制本发明。

实施例1

石墨纳米片基复合膜的制备方法参照图1所示。使用天然鳞片石墨为原料，经过插层处理后得到膨胀石墨。称取一定量的膨胀石墨分散于水中，加入适量羟丙基甲基纤维素，超声处理后得到石墨纳米片分散液。该分散液经分离、干燥后得到石墨纳米片，扫描电镜分析显示，所得石墨纳米片的平均片径为20μm，平均厚度为20nm。

将石墨纳米片加入到水和乙醇的混合溶液中，同时加入羧甲基纤维素作为分散剂、丙烯酸树脂为粘结剂。其中，水和乙醇的体积比为8:1，石墨纳米片占混合溶液重量的6％，羧甲基纤维素占石墨纳米片重量的5％，丙烯酸树脂占石墨纳米片重量的5％。将上述混合物充分搅拌，得到石墨纳米片混合溶液。该溶液均匀稳定，可以静置1周以上无明显沉降。

将上述混合溶液涂覆在厚度为75μm的聚酰亚胺基片的两个侧面上，经干燥形成石墨纳米片膜层，其平均厚度为30μm，并最终制成石墨纳米片基复合膜。

基片材料的选择需考虑基片材料的耐热性、热膨胀系数、石墨纳米片混合溶液在基片上的成膜性、石墨纳米片膜层与基片的结合力等因素。除聚酰亚胺外，聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶等也可用作本发明中的基片材料。这是由于：这些材料都可承受100℃以上，可以在通电加热时不发生软化；与石墨纳米片膜层有较好的结合力，可以在通电加热时不发生剥离。此外，这些材料的热膨胀系数均与石墨纳米片的热膨胀系数7×10^-6/℃有明显差异，在通电后由于石墨纳米片膜层和基片的膨胀程度不同，才能发生弯曲变形。

图2是本实施例制得的石墨纳米片基复合膜20的横截面扫描电镜照片。由图中可见：石墨纳米片膜21和聚酰亚胺基片22间的界面明显；在石墨纳米片膜21中，石墨纳米片较好地保留了原有的片状结构，纳米片呈高度取向，平行于基板表面叠层密集排列并相互搭接。测量显示，石墨纳米片膜的电阻率为100mΩ·cm。该双层膜具有良好的柔韧性，经过多次揉搓后导电性能没有明显下降，可用工具方便地裁剪成所需形状。

实施例2

石墨纳米片基复合膜的制备过程与实施例1基本相同。使用天然鳞片石墨为原料，加入适量羧甲基纤维素，经均质机处理得到石墨纳米片分散液。该分散液经分离、干燥后得到石墨纳米片，扫描电镜分析显示，所得石墨纳米片的平均片径为10μm，平均厚度为30nm。

将石墨纳米片加入到水中，同时加入羟丙基甲基纤维素作为分散剂和环氧树脂为粘结剂。其中，石墨纳米片占水重量的12％，羟丙基甲基纤维素占石墨纳米片重量的40％，环氧树脂占石墨纳米片重量的40％。将上述混合物充分搅拌，得到石墨纳米片混合溶液。

使用流延法将上述混合溶液涂覆在厚度为100μm的聚酰亚胺基板的两个侧面上，经干燥形成平均厚度为150μm的石墨纳米片膜层，并最终制成石墨纳米片基复合膜。

将所得复合膜进一步加工得到尺寸为33cm×4.5cm的条形柔性驱动器30，其结构示意见图3。其中，复合膜两侧的石墨纳米片膜层被加工成不对称排布的不连续条带形式，即：位于复合膜两侧的石墨纳米片条带311、313、315与312、314分别彼此间隔，并且从垂直于复合膜驱动器平面的方向观察时，位于复合膜一侧的石墨纳米片条带311、313、315中的任意一个与位于复合膜另一侧的石墨纳米片条带312、314中的任意一个均不重合。

将铜片电极通过银浆粘贴在各石墨纳米片条带311、312、313、314、315的两端，并通过引线与电源连接。接通10V电源后，各石墨纳米片条带发热，由于石墨纳米片膜层的热膨胀系数远小于聚酰亚胺基片，条形柔性驱动器的各部分在形变失配产生的应力作用下发生弯曲，即向石墨纳米片条形带的一侧弯曲。由于石墨纳米片条形带交错排布在聚酰亚胺基片的两侧，相邻的两部分弯曲方向相反。在电热的作用下条形驱动器整体由平直形变为波浪形，见图4、图5。

伴随通电时间的延长，驱动器温度逐渐提高，形变量相应加大；断电后条形柔性驱动器的形变复原，由波浪形恢复为平直形。整个过程可以在25秒内完成。测试表明，该柔性驱动器在通断电100次后仍可保持快速响应和适宜的形变量。

需要说明的是，虽然本发明的实施例均为通电发热驱动手形柔性驱动器发生形变，但本领域的技术人员容易想到：除电热以外，使用其他加热形式如光照、温度变化等方式也可使各柔性驱动器发生形变。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种石墨纳米片基复合膜的制备方法，包括以下步骤：

S01：将天然石墨或者膨胀石墨和表面活性剂加入到水或水和乙醇的混合溶液中，通过剥离制得石墨纳米片分散液，将所述分散液经分离、干燥得到石墨纳米片；

S02：将所得的石墨纳米片与介质、分散剂和粘结剂按一定比例混合，得到石墨纳米片混合溶液；

S03：将所得的石墨纳米片混合溶液分别涂覆到高分子材料基片的两个侧面上，干燥形成石墨纳米片膜层，制成复合膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S01中采用的剥离方式为超声剥离或机械剥离；所述表面活性剂为羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的至少一种；所述石墨纳米片的片径为0.1～600μm，厚度为5～200nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S02中介质为水、醇或水与醇的混合物，所述醇为可溶于水的一元醇、二元醇、多元醇中的至少一种，所述水与醇的混合物中二者体积比为1:10～10:1，所述石墨纳米片占所述介质的重量百分比为0.1％～20％。所述分散剂为羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，分散剂占所述石墨纳米片的重量百分比为0.1％～50％；所述粘结剂为丙烯酸树脂和丙烯酸改性树脂、环氧树脂和环氧树脂改性树脂、聚氨酯树脂和聚氨酯改性树脂中的一种或多种，粘结剂占所述石墨纳米片的重量百分比为1％～100％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S03中，通过溶剂蒸发、溶液涂覆、流延、喷淋、涂刷中的一种或多种方法将石墨纳米片混合溶液涂覆到基片上；所述高分子材料基片采用热膨胀系数大于7×10^-6/℃的材料；所述高分子材料基片为聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶中的一种。

5.一种石墨纳米片基复合膜，其特征在于：

所述石墨纳米片基复合膜是通过权利要求1-4中任一项的方法制备得到的，其厚度为60～300μm，所述高分子材料基片的厚度为10～200μm。

6.一种热驱动的柔性驱动器，包括：

根据权利要求5所述的石墨纳米片基复合膜；电极。

7.根据权利要求6所述的柔性驱动器，其特征在于：

所述石墨纳米片基复合膜中，位于高分子材料基片两侧的石墨纳米片膜层是不对称排布的。所述电极与所述石墨纳米片基复合膜中的石墨纳米片膜层电连接；所述电极为金属电极或者银浆；所述银浆涂覆在石墨纳米片膜层上；所述金属电极为铝片、铜片、镍片中的一种，通过银浆粘贴在所述石墨纳米片膜层上。所述两侧石墨纳米片膜层的排布方式为交错排布的条形、网格形、棋盘形中的一种。

8.根据权利要求6至7之一所述的柔性驱动器，其特征在于：

所述柔性驱动器为条形、手形、八爪形、叶片形、阵列形、树枝形中的一种。

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