CN115160629A - 一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法，包括以下步骤：步骤一、将对甲基苯磺酸水合物和吡咯加入水中得到浸没液；EVA膜悬挂并完全浸没于浸没液中，且浸没液处于搅拌状态；步骤二、将三氯化铁溶液滴加至浸没液中，之后室温下聚合；步骤三、聚合完成后将膜样取出，水洗、烘干、清理表面，即得到EVA@PPy复合薄膜。本发明的EVA@PPy复合薄膜具备良好的电热驱动性能，作为具备优良电热驱动性能的柔性驱动器。
Description
技术领域
本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法。
背景技术
近年来，具有可逆可控、响应环境刺激发生形变的智能材料和复合材料得到了很大的发展。比如，介电弹性体、液晶弹性体、形状记忆聚合物(SMPs)、导电聚合物等材料都有制备柔性驱动器的相关研究。其中，与其他智能材料相比较，SMPs，尤其是双向SMPs具有可逆形变，结构简单、成本低等特点，成为研究热点。
但使用SMPs制备柔性驱动器还存在着不可忽视的局限性，包括以下两个方面：
一方面是材料本身导电性能不好，要实现更加方便快捷的电驱动，需要引入导电粒子(如炭黑、碳纳米管、石墨烯等)对SMPs进行复合，但导电粒子在聚合物内部很难分散均匀，使得制得的柔性驱动器的性能和应用受到一定影响；
另一方面是材料本身的热扩散速度会限制响应速度，通常需要较高的驱动电压来实现快速响应。
因此，本领域亟需开发一种导电网络均匀分布、低电压驱动的柔性驱动器。在SMPs中，商用的半结晶EVA成本低，弹性好并且易于加工。研究表明，具有结晶和交联结构的EVA在恒定和无应力条件下具有熔融诱导收缩的作用，这为r柔性驱动器的热响应提供了动力。
本发明通过一种简单易操作的方法制得的柔性驱动器，有望实现优良的电热驱动性能，并且结合牢度高，具有良好的耐久性，延长了柔性驱动器的使用寿命。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种具备电热驱动性能的柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将对甲基苯磺酸水合物和吡咯加入水中得到浸没液；EVA膜悬挂并完全浸没于浸没液中，且浸没液处于搅拌状态；
步骤二、将三氯化铁溶液滴加至浸没液中，之后室温下聚合；
步骤三、聚合完成后将膜样取出，水洗、烘干、清理表面，即得到EVA@PPy复合薄膜。
作为优选方案，所述步骤一中，对甲基苯磺酸水合物与吡咯的摩尔比为(1～5)：1。
作为优选方案，所述步骤一中，吡咯的浓度为0.05～0.1mol/L。
作为优选方案，所述步骤一中，搅拌期间进行若干次提拉膜样操作。
作为优选方案，所述步骤二中，三氯化铁与吡咯的摩尔比为1：1。
作为优选方案，所述步骤二中，使用滴管滴加三氯化铁溶液时需逐滴缓慢滴加。
作为优选方案，所述步骤二中，室温聚合时间为1～1.5h。
作为优选方案，所述步骤三中，烘干的温度为50～60℃，时间为2～4h。
作为优选方案，所述步骤三中，清理表面采用刷子清扫。
本发明还提供如上任一项方案所述的制备方法制得的柔性驱动器。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的EVA@PPy复合薄膜不仅具有柔性好、结合牢度高、耐久性和制造工艺简单等优点，而且还具有优良的电热驱动性能，在35V的驱动电压下，薄膜可在10s升温至100℃以上，超过了EVA的响应温度，从而实现快速驱动的目的。
附图说明
图1是本发明实施例1的EVA@PPy复合薄膜截面的扫描电子显微镜照片；
图2是本发明实施例1-5的不同酸掺杂含量的EVA@PPy复合薄膜的电导率；
图3是本发明实施例1-5的不同酸掺杂含量的EVA@PPy复合薄膜在施加不同电压下温度是与时间的关系；其中，(a)EP-1，(b)EP-2，(c)EP-3，(d)EP-4，(e)EP-5；
图4是本发明实施例1的EP-5复合薄膜在红外热成像仪下拍摄的施加35V电压及断开后的图；
图5是本发明实施例1的EP-5复合薄膜拉伸20％，以3.33mm/s循环10000次的电阻变化曲线。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
本实施例的EVA@PPy复合薄膜的制备方法，具体包括：
步骤一、将0.075mol(约为14.25g)对甲基苯磺酸水合物和吡咯(0.015mol，约为1mL)加入290mL去离子水中得到浸没液，EVA膜(裁成5mm×35mm的样条)悬挂在烧杯内的浸没液使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10mL去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到EVA@PPy复合薄膜，命名为EP-5。
如图1所示，为EP-5复合薄膜截面的SEM图，可以看到聚吡咯在EVA基体表面均匀分布，构建了完美的导电网络。
如图2所示，为不同酸掺杂含量的EVA@PPy复合薄膜的电导率，可以看出EP-5的电导率最大，达到了0.244S/cm。
如图3所示，为不同酸掺杂含量的EVA@PPy复合薄膜在施加不同电压下温度是与时间的关系，可以看到EP-5的升温速率最快，在施加35V电压的条件下，可以在10s内达到100℃以上，高于EVA的驱动温度。
如图4所示，为EP-5复合薄膜在红外热成像仪下拍摄的施加35V电压及断开后的图，可以看到EP-5复合薄膜在15s的时候就已经达到了120℃，持续施加电压到20s，断开后薄膜在40s的时间内快速下降至室温附近。
如图5所示，EP-5复合薄膜拉伸20％，以3.33mm/s循环10000次的电阻变化曲线，可以看到复合薄膜的电阻值在拉伸循环10000次后仅增加了11.97％。
实施例2：
本实施例的EVA@PPy复合薄膜的制备方法，具体包括：
步骤一、将0.060mol(约为11.40g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1mL)加入290mL去离子水中，EVA膜(裁成5mm×35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10mL去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到EVA@PPy复合薄膜，命名为EP-4。
按照如实施例1相同的手段对本实施例的EVA@PPy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率与实施例1获得的复合薄膜电导率相近，施加不同电压升温速率也与实施例1相近，施加35V电压的条件下，可以在10s内迅速升温至100℃以上。
实施例3：
本实施例的EVA@PPy复合薄膜的制备方法，具体包括：
步骤一、将0.045mol(约为8.55g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1mL)加入290mL去离子水中，EVA膜(裁成5mm×35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10mL去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到EVA@PPy复合薄膜，命名为EP-3。
按照如实施例1相同的手段对本实施例的EVA@PPy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率小于实施例1获得的复合薄膜电导率，施加不同电压升温速率也比实施例1稍慢。
实施例4：
本实施例的EVA@PPy复合薄膜的制备方法，具体包括：
步骤一、将0.030mol(约为5.70g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1mL)加入290mL去离子水中，EVA膜(裁成5mm×35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10mL去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到EVA@PPy复合薄膜，命名为EP-2。
按照如实施例1相同的手段对本实施例的EVA@PPy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率小于实施例1获得的复合薄膜电导率，施加不同电压升温速率也比实施例1稍慢。
实施例5：
本实施例的EVA@PPy复合薄膜的制备方法，具体包括：
步骤一、将0.015mol(约为2.85g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1mL)加入290mL去离子水中，EVA膜(裁成5mm×35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10mL去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到EVA@PPy复合薄膜，命名为EP-2。
按照如实施例1相同的手段对本实施例的EVA@PPy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率小于实施例1获得的复合薄膜电导率，施加不同电压升温速率也比实施例1慢，在施加25V电压的条件下，复合薄膜已经不能在40s内升温至100℃以上了。
对比例1：
本对比例的EVA@PPy复合薄膜的制备方法，具体包括：
步骤一、将吡咯(0.015mol，约为1mL)加入290mL去离子水中，EVA膜(裁成5mm×35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10mL去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到EVA@PPy复合薄膜，因未加入对甲基苯磺酸-水合物，故命名为EP-0。
按照如实施例1相同的手段对本实施例的EVA@PPy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率远小于实施例1获得的复合薄膜电导率，仅为0.01659S/cm。
在上述实施例及其替代方案中，吡咯的浓度还可以为0.05mol/L、0.6mol/L、0.07mol/L、0.08mol/L、0.1mol/L等。
在上述实施例及其替代方案中，室温聚合的时间还可以为70min、80min、90min等。
在上述实施例及其替代方案中，烘干的温度还可以为55℃、60℃等，时间还可以为2.5h、3h、3.5h、4h等。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具备电热驱动性能的柔性驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将对甲基苯磺酸水合物和吡咯加入水中得到浸没液；EVA膜悬挂并完全浸没于浸没液中，且浸没液处于搅拌状态；
步骤二、将三氯化铁溶液滴加至浸没液中，之后室温下聚合；
步骤三、聚合完成后将膜样取出，水洗、烘干、清理表面，即得到EVA@PPy复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种具备电热驱动性能的柔性驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，对甲基苯磺酸水合物与吡咯的摩尔比为(1～5)：1。
3.根据权利要求1所述的一种具备电热驱动性能的柔性驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，吡咯的浓度为0.05～0.1mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种具备电热驱动性能的柔性驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，搅拌期间进行若干次提拉膜样操作。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，三氯化铁与吡咯的摩尔比为1：1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，使用滴管滴加三氯化铁溶液时需逐滴缓慢滴加。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，室温聚合时间为1～1.5h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，烘干的温度为50～60℃，时间为2～4h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，清理表面采用刷子清扫。
10.如权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的柔性驱动器。
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