CN114854068A - 一种近红外光响应的双层膜的制备方法及双层膜驱动器 - Google Patents

一种近红外光响应的双层膜的制备方法及双层膜驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及功能膜的制备领域，尤其是一种近红外光响应的双层膜的制备方法及双层膜驱动器。其中，近红外光响应的双层膜的制备方法包括如下步骤：提供基底；将聚二甲基硅氧烷溶液和正己烷溶液混合，以得到第一混合溶液；在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜；对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性；将金纳米棒和氮‑异丙基丙烯酰胺溶液混合，以得到第二混合溶液；在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆第二混合溶液，获得驱动薄膜；剥离所述基底，以得所述近红外光响应的双层膜。本发明所述制备方法，工艺简单，反应条件温和，对设备要求低，制备成本低，易于实现，具有较强的推广与应用价值。

Description

一种近红外光响应的双层膜的制备方法及双层膜驱动器
技术领域
本发明涉及功能膜的制备领域，尤其是一种近红外光响应的双层膜的制备方法及双层膜驱动器。
背景技术
随着人类社会的不断发展和机器人科学、自动控制理论的不断进步，人类对于仿生设备、软体机器人的需求不断提升。在人类不宜涉足的极端和危险的环境中，软体机器人为人类提供了很大的便利，并且在医疗服务、工业生产、军事侦察和运动探险等领域有着很好的应用前景。软体机器人作为一种新型的仿生机器人正在被广泛研究，它们是受自然界中章鱼、水母、鳐鱼等软体结构生物的启发，利用其柔性的结构实现可控的运动并适应复杂多变的自然环境。通过模仿柔性生物的肌肉(驱动)，皮肤(障碍物)和器官(传感器)等，采用软体材料，设计构建了多种方式驱动的软体机器人。但目前对软体机器人的研究仍然处于起步阶段，其驱动方式和运动操控仍然是制约其发展的关键。目前对于软体机器人的驱动存在驱动部件复杂或驱动效率低的问题，另外对于仿生软体机器人的驱动部件的制备也面临着一定的挑战。因此亟需提出一种新的驱动方式来解决现有技术中的不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种近红外光响应的双层膜的制备方法，旨在克服现有技术的缺陷，所述近红外光响应的双层膜可应用于仿生软体机器人的驱动部件的制备，同时为所述仿生软体机器人提供了一种新的驱动方式，此外，本发明还提供了一种双层膜驱动器，采用上述制备方法可以制得近红外光响应的双层膜，通过利用近红外光响应的双层膜作为驱动部件，集成于仿生软体机器人中，可驱动其进行可控运动。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种近红外光响应的双层膜的制备方法，包括如下步骤：提供基底；将聚二甲基硅氧烷溶液和正己烷溶液混合，以得到第一混合溶液；在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜；对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性；将金纳米棒和氮-异丙基丙烯酰胺溶液混合，以得到第二混合溶液；在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，获得驱动薄膜；剥离所述基底，以得所述近红光外响应的双层膜。利用所述制备方法在聚二甲基硅氧烷膜层上沉积了含金纳米棒的聚氮-异丙基丙烯酰胺膜层，由于金纳米棒具有光热效应，结合聚氮-异丙基丙烯酰胺膜层的温敏响应特性，在近红外光照射下，金纳米棒产生的光热效应将会诱导聚氮-异丙基丙烯酰胺链段收缩，而聚二甲基硅氧烷膜层没有响应，因此聚氮-异丙基丙烯酰胺膜层的收缩会导致双膜层由凹形逐渐变平再变为向上拱起，即双层膜发生形变，所述制备方法克服了现有技术的缺陷，工艺简单，反应条件温和，对设备要求低，制备成本低，易于实现，对环境友好，实用性强，具有较强的推广与应用价值。
可选地，所述在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜，包括如下步骤：在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，所述表面为平滑表面；平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层的厚度均匀；固化所述第一混合溶液层，获得柔性薄膜。
可选地，所述平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层的厚度均匀，包括如下步骤：旋转所述基底，利用离心力使所述第一混合溶液层平铺在所述基底的表面上，得到所述第一混合溶液层；检查所述表面上的所述第一混合溶液层的分布情况；若所述第一混合溶液层在所述表面上均匀分布，则获得厚度均匀的所述第一混合溶液层。
可选地，所述固化所述第一混合溶液层，获得柔性薄膜，包括如下步骤：预热所述第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层的温度逐渐上升至烘烤温度；烘烤所述第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层凝固，获得柔性薄膜；冷却所述柔性薄膜，防止所述柔性薄膜龟裂。
可选地，所述对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性，包括如下步骤：提供等离子体和3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷；利用所述等离子体对所述柔性薄膜的表面进行亲水处理，使得所述柔性薄膜的表面生成亲水基团；在所述柔性薄膜的表面接枝所述3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷，所述3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷促进所述柔性薄膜和所述驱动薄膜粘合。
可选地，所述第二混合溶液还包括引发剂，所述引发剂用于诱导所述第二混合溶液中所述氮-异丙基丙烯酰胺溶液和所述引发剂发生聚合反应。
可选地，所述在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，获得驱动薄膜，包括如下步骤：在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液；平铺所述第二混合溶液得到第二混合溶液层，使得所述第二混合溶液层的厚度均匀；固化所述第二混合溶液层，获得驱动薄膜。
可选地，所述固化所述第二混合溶液层，获得驱动薄膜，包括如下步骤：将所述第二混合溶液层在紫外光环境下进行照射，利用紫外光线，在所述第二混合溶液层中产生聚合反应，从而获得所述驱动薄膜。
可选地，所述剥离所述基底，以得所述近红光外响应的双层膜，包括如下步骤：将所述基底放入蒸馏水中，利用所述柔性薄膜的疏水性，将所述基底从双层膜上剥离，获得所述近红外光响应的双层膜。
本发明的第二方面还提供一种双层膜驱动器，包括：驱动光源和动作部件，所述驱动光源为近红外光；所述动作部件包括近红外光响应的双层膜，所述近红外光响应的双层膜通过本发明第一方面的所述近红外光响应的双层膜的制备方法所制得；所述驱动光源用于发出驱动光信号，所述近红外光响应的双层膜用于接收所述驱动光信号，并产生形变。本发明所提出的双层膜驱动器利用近红外光作为驱动信号，实现了非接触式、无害的驱动操作，所述双层膜驱动器体积小，可远程操控，驱动方式简单，且有较强的穿透能力，可适用于微型元件尤其是仿生设备中微型元件，适用范围广。
附图说明
图1为本发明的近红外光响应的双层膜制备方法实施例的流程图；
图2为本发明的柔性薄膜的实物图；
图3为本发明的近红外光响应的双层膜的实物图；
图4为本发明的一种双层膜驱动器实施例示意图。
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：不必采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，未具体描述公知的电路，软件或方法。
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。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
请参见图1，本发明的实施例提供了一种近红外光响应的双层膜的制备方法，包括如下步骤：S1、提供基底；进一步地，在本实施例中，所述基底为硅片。
在又一个可选地实施例中，所述近红外光响应的双层膜的制备方法，还包括：S2、将聚二甲基硅氧烷溶液和正己烷溶液混合，以得到第一混合溶液；所述第一混合溶液用于生成柔性薄膜。
在又一个可选地实施例中，所述近红外光响应的双层膜的制备方法，还包括：S3、在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜。
进一步地，在本实施例中，所述在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜，包括：S31、在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，所述表面为平滑表面，更进一步地，所述涂覆的方式可以具体选择为使用滴管进行滴覆的方式，即使用滴管将所述第一混合溶液滴至所述基底的表面，使得所述第一混合溶液覆盖所述基底的表面。
在又一个实施例中，所述在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜，还包括：S32、均匀平铺所述第一混合溶液，使得第一混合溶液层厚度均匀。
更进一步地，在本实施例中，所述平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，所述第一混合溶液层的厚度均匀，包括：S321、旋转所述基底，利用离心力使所述液层在所述基底的表面上均匀平铺，详细地，利用真空吸附将所述基底吸附在旋转平台上，设置旋转参数，所述旋转参数包括旋转模式，所述旋转模式为高速短时模式，进一步地，所述旋转模式中的转速具体为每30秒1000转，所述转速制备的膜层均匀度最佳，所述转速过快或者过慢均会导致所述膜层厚度不均匀，更详细地，所述膜层的厚度在100微米至200微米之间，所述膜层的厚度范围利于引入后续的驱动薄膜，使得所述驱动薄膜发生形变时可以带动所述柔性薄膜发生形变，若所述柔性薄膜过厚则所述柔性薄膜不易变形，若所述柔性薄膜过薄则所述柔性薄膜形变后不易复原，即所述柔性薄膜的橡胶弹性差。
更进一步地，在本实施例中，所述平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，所述第一混合溶液层的厚度均匀，还包括：S322、检查所述表面上的所述第一混合溶液层的分布情况，所述检查的方式可以具体选择通过在光源下，所述光源可以具体选择为LED灯，利用光线反射观测所述基板表面的所述第一混合溶液层的完整情况进行判断，当所述第一混合溶液层完全覆盖在所述基板的表面，并且没有涂覆不全以及杂质颗粒的情况，即可视为所述第一混合溶液层在所述表面上均匀分布。
在又一个可选地实施例中，所述平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，所述第一混合溶液层的厚度均匀，还包括：S323、若所述第一混合溶液层在所述表面上均匀分布，则获得厚度均匀的所述第一混合溶液层；若所述第一混合溶液层在所述表面上非均匀分布，则重复所述S321和S322步骤，直至获得厚度均匀的所述第一混合溶液层。利用所述S321、S322和S323确认制备的所述柔性薄膜层的完整度，为成功制备出所述近红外光响应的双层膜大大提升成功的几率。
在又一个实施例中，所述在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜，还包括：S33、固化所述第一混合溶液，获得柔性薄膜。
进一步地，在本实施例中，所述固化所述第一混合溶液，获得柔性薄膜，包括如下步骤：预热第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液的温度逐渐上升至烘烤温度，进一步地，此步骤给需要加热固化的所述第一混合溶液层提供了一个加热缓冲的环境，若直接将所述第一混合溶液层放入烘烤的温度的环境下，容易造成成膜不均的情况，详细地，在本实施例中，通过将所述第一混合溶液层放入烘烤装置，所述烘烤装置可以具体选择为烤箱，将所述烤箱的烘烤温度设置为60摄氏度，使得烤箱温度在10-15分钟内从室温(25摄氏度)升至60摄氏度；烘烤第一混合溶液层，使得第一混合溶液层凝固，获得柔性薄膜，所述柔性薄膜请参照图2所示，图中柔性薄膜200位于基底100上表面，详细地，在又一个实施例中，所述烘烤的温度具体可以选择为60摄氏度，所述烘烤的时间具体可以选择3小时；冷却所述柔性薄膜，防止所述柔性薄膜龟裂，更进一步地，冷却所述柔性薄膜需使经过所述柔性薄膜的温度缓慢下降，若直接将所述柔性薄膜放置室温或者低温状态，则容易造成所述柔性薄膜龟裂，再进一步地，冷却的时间可以选择为1小时，即在1小时内从60摄氏度降至室温(25摄氏度)；或者可以选择为关闭所述烤箱电源，使得所述柔性薄膜随着所述烤箱温度自然下降而自然冷却；更详细地，所述预热和所述烘烤所述第一混合溶液层及所述冷却所述柔性薄膜可以具体选择均在同一烤箱内完成。
在又一个可选地实施例中，所述近红外光响应的双层膜的制备方法，还包括：S4、对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性。
进一步地，在本实施例中，所述对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性，包括如下步骤：提供等离子体和3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷；利用所述等离子体对所述柔性薄膜的表面进行亲水处理，使得所述柔性薄膜的表面生成亲水基团，所述等离子体亲水处理为现有技术，此处不详细展开；在所述柔性薄膜的表面接枝所述3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷，所述3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷促使所述柔性薄膜和所述驱动薄膜粘合。
在又一个可选地实施例中，所述近红外光响应的双层膜的制备方法，还包括：S5、将金纳米棒和氮-异丙基丙烯酰胺溶液混合，以得到第二混合溶液；具体地，在本实施例中，所述第二混合溶液中金纳米棒的浓度范围为0.001至0.01摩尔每升；详细地，所述氮-异丙基丙烯酰胺溶液为单体与交联剂混合产生的预聚液，更详细地，所述预聚液中单体与交联剂的质量比为100:8。
进一步地，在另一个可选的实施例中，所述第二混合溶液还包括引发剂，所述引发剂用于诱导所述第二混合溶液中所述氮-异丙基丙烯酰胺溶液和所述引发剂发生聚合反应，详细地，所述引发剂是体积分数10％的光引发剂邻苯二甲酸二甲酯溶液。
在又一个可选地实施例中，所述近红外光响应的双层膜的制备方法，还包括：S6、在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，获得驱动薄膜。
进一步地，所述在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，获得驱动薄膜，包括：在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，详细地，所述涂覆方式可以选择使用滴管将所述第二混合溶液滴覆在所述柔性薄膜具有亲水性的表面；平铺所述第二混合溶液得到第二混合溶液层，使得第二混合溶液的层厚度均匀，详细地，所述平铺的方式具体可以参照上述平铺所述第一混合溶液的液层的方式；固化所述第二混合溶液层，获得驱动薄膜。
更进一步地，在又一个可选地实施例中，所述固化所述第二混合溶液层，获得驱动薄膜，包括：将所述第二混合溶液层在紫外光环境下进行照射，利用所述紫外光线，在所述第二混合溶液层中产生聚合反应，使得所述第二混合溶液层固化，从而获得所述驱动薄膜，所述驱动薄膜可以利用近红外光线照射致使其内部金纳米棒产生光热效应，从而引发所述驱动薄膜内的聚氮-异丙基丙烯酰胺链段收缩。详细地，所述驱动薄膜的厚度在200微米到300微米之间，更详细地，所述驱动薄膜的厚度具体可以选择专门控制聚合物厚度的垫片实现，所述垫片为现有技术，此处不详细展开。
在又一个可选地实施例中，所述近红外光响应的双层膜的制备方法，还包括：S7、剥离所述基底，以得所述近红外光响应的双层膜。
进一步地，在所述实施例中，所述剥离所述基底，以得所述近红外光响应的双层膜，包括如下步骤：将所述基底放入蒸馏水中，利用所述柔性薄膜的疏水性将所述基底从双层膜上剥离，获得所述近红外光响应的双层膜；所述红外光响应的双层膜请参照图3所示，图中驱动薄膜300位于所述柔性薄膜200的上表面，所述剥离的方式简单便捷，且易于获得完整的所述近红外光响应的双层膜，详细地，所述剥离的操作可以具体选择镊子或者流水剥离实现，具体地，所述近红外光响应的双层膜中所述驱动薄膜的厚度与所述柔性薄膜的厚度比值在1-2之间，所述比值的双层膜可以更好地利用所述金纳米棒的光热效应从而诱导所述驱动薄膜形变，进而带动所述柔性薄膜产生形变。
综上所述近红外光响应的双层膜的制备方法，利用所述制备方法在聚二甲基硅氧烷膜层上沉积了含金纳米棒的聚氮-异丙基丙烯酰胺膜层，由于金纳米棒具有光热效应，结合聚氮-异丙基丙烯酰胺膜层的温敏响应特性，在近红外光照射下，金纳米棒产生的光热效应将会诱导聚氮-异丙基丙烯酰胺链段收缩，而聚二甲基硅氧烷膜层没有响应，因此聚氮-异丙基丙烯酰胺膜层的收缩会导致双膜层由凹形逐渐变平再变为向上拱起，即双层膜发生形变，所述制备方法克服了现有技术的缺陷，工艺简单，反应条件温和，对设备要求低，制备成本低，易于实现，对环境友好，实用性强，具有较强的推广与应用价值。
请参照图4，本发明的第二方面还提供一种双层膜驱动器，包括：驱动光源1、动作部件2和电源3，所述电源3与所述驱动光源1电连接，所述驱动光源1为近红外光；所述动作部件2包括近红外光响应的双层膜，所述近红外光响应的双层膜通过本发明的第一方面的所述近红外光响应的双层膜的制备方法所制得；所述驱动光源1用于发出驱动光信号，所述近红外光响应的双层膜用于接收所述驱动光信号，并产生形变。
本发明实施中所涉及到双层膜驱动器利用红外光作为驱动信号，实现了非接触式、无害的驱动操作，所述双层膜驱动器体积小，可远程操控，驱动方式简单，且有较强的穿透能力，可适用于微型元件尤其是仿生设备中微型元件，适用范围广。所述双层膜驱动器的其他零部件及其制备或者组装方法可以参考现有技术，由于其并不是本发明的核心发明点，因此并未记载在本发明的申请文件当中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供基底；
将聚二甲基硅氧烷溶液和正己烷溶液混合，以得到第一混合溶液；
在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜；
对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性；
将金纳米棒和氮-异丙基丙烯酰胺溶液混合，以得到第二混合溶液；
在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，获得驱动薄膜；
剥离所述基底，以得所述近红外光响应的双层膜。
2.根据权利要求1所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，获得柔性薄膜，包括如下步骤：
在所述基底的表面上涂覆所述第一混合溶液，所述表面为平滑表面；
平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层的厚度均匀；
固化所述第一混合溶液层，获得柔性薄膜。
3.根据权利要求2所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述平铺所述第一混合溶液得到第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层的厚度均匀，包括如下步骤：
旋转所述基底，利用离心力使所述第一混合溶液层平铺在所述基底的表面上，得到所述第一混合溶液层；
检查所述表面上的所述第一混合溶液层的分布情况；
若所述第一混合溶液层在所述表面上均匀分布，则获得厚度均匀的所述第一混合溶液层。
4.根据权利要求2所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述固化所述第一混合溶液层，获得柔性薄膜，包括如下步骤：
预热所述第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层的温度逐渐上升至烘烤温度；
烘烤所述第一混合溶液层，使得所述第一混合溶液层凝固，获得柔性薄膜；
冷却所述柔性薄膜，防止所述柔性薄膜龟裂。
5.根据权利要求1所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述对所述柔性薄膜的表面进行处理，使得所述柔性薄膜的表面具有亲水性，包括如下步骤：
提供等离子体和3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷；
利用所述等离子体对所述柔性薄膜的表面进行亲水处理，使得所述柔性薄膜的表面生成亲水基团；
在所述柔性薄膜的表面接枝所述3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷，所述3-甲基丙烯酸丙基三氯硅烷促进所述柔性薄膜和所述驱动薄膜粘合。
6.根据权利要求1所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述第二混合溶液还包括引发剂，所述引发剂用于诱导所述第二混合溶液中所述氮-异丙基丙烯酰胺溶液和所述引发剂发生聚合反应。
7.根据权利要求1所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液，获得驱动薄膜，包括如下步骤：
在所述柔性薄膜具有亲水性的表面涂覆所述第二混合溶液；
平铺所述第二混合溶液得到第二混合溶液层，使得所述第二混合溶液层的厚度均匀；
固化所述第二混合溶液层，获得驱动薄膜。
8.根据权利要求7所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述固化所述第二混合溶液层，获得驱动薄膜，包括如下步骤：
将所述第二混合溶液层在紫外光环境下进行照射，利用紫外光线，在所述第二混合溶液层中产生聚合反应，从而获得所述驱动薄膜。
9.根据权利要求1所述的近红外光响应的双层膜的制备方法，其特征在于，所述剥离所述基底，以得所述近红外光响应的双层膜，包括如下步骤：
将所述基底放入蒸馏水中，利用所述柔性薄膜的疏水性，将所述基底从双层膜上剥离，获得所述近红外光响应的双层膜。
10.一种双层膜驱动器，其特征在于，包括：驱动光源和动作部件，所述驱动光源为近红外光；所述动作部件包括近红外光响应的双层膜，所述近红外光响应的双层膜的制备方法如权利要求1-9任意一项所述；所述驱动光源用于发出驱动光信号，所述近红外光响应的双层膜用于接收所述驱动光信号，并产生形变。
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