多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜，为还原氧化石墨稀/氧化石墨烯复合结构，还原氧化石墨烯与氧化石墨烯为一体化的结构，具备湿度、热、电三重响应驱动性能。本发明专利技术还提供了多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的制备方法和应用。本发明专利技术所提供的响应驱动智能石墨烯薄膜的制备方法，在制备过程中，制备工艺温度都在室温或100℃以下，无需高压或惰性气体保护，条件温和可控，制备工艺简单。

Multiple environmental response driven graphene oxide films, preparation methods and Applications

The invention discloses a multi environmental response driven graphene oxide film, which is a composite structure of reducing graphite oxide / graphene oxide, reducing graphene oxide and graphene oxide as an integrated structure, with three response driving properties of humidity, heat and electricity. The invention also provides a preparation method and application of a multiple environmental response driven graphene oxide film. The preparation method of the response driven intelligent graphene film is provided by the invention. During the preparation process, the preparation process is under room temperature or below 100 C, without high pressure or inert gas protection, mild conditions and simple preparation process.

【技术实现步骤摘要】
多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜、制备方法及应用
本专利技术属于智能材料制备
，具体涉及一种同时具备湿度、热、电的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜、制备方法及应用。
技术介绍
近年来，随着智能器件与智能设备的不断发展，使得智能材料的研究开发与应用越来越受到人们的广泛关注，如记忆合金、纳米发电机以及仿生器件等。其中有一类材料，可以在特定的环境刺激下，发生形变、色变等一系列响应驱动行为，即智能响应驱动材料。一般情况下，这类材料由具有不同性质的双层或多层结构组成，或材料中包含具有特定刺激响应性能的分子或官能团。在一定外界刺激下，材料各层发生不同变化，或内部分子结构发生变化，使得材料产生一定的响应驱动行为。陈涛等(TaoChen,JiangHe,HighlyEffcientActuatorofGraphene/PolydopamineUniformCompositeThinFilmDrivenbyMoistureGradients,Adv.Mater.Interfaces2016,1600169)通过多巴胺-氧化石墨烯氧化还原聚合物成膜制备了一种对湿度具有响应驱动的的复合薄膜。佟振等(ZhenTong，JiaheHuang，NIRTriggeredRapidShapeMemoryPAM-GOGelatinHydrogelswithHighMechanicalStrength,ACSAppl.Mater.Interfaces,2016,8(19),12384)制备了一种氧化石墨烯-聚甲基丙烯酰胺复合凝胶，该凝胶在红外光刺激下会发生一定量的形变。Sitti等(MortezaAmjadi,MetinSitti,High-PerformanceMultiresponsivePaperActuators,ACSNano,2016,10(11),10202)通过多步喷涂发制备了一种同时具备电，湿度和光三重相应的多层薄膜，可应用于智能机器人领域。尽管在智能方面的研究取得了诸多进展，现有的大部分研究只是针对单一的响应驱动性能进行研究，或者在材料制备过程中，存在工艺比较复杂，材料环境稳定性不高，易发生分层等的问题。因此开发具有多重刺激响应性能，且制备工艺简单，稳定性能优异的智能驱动材料很有必要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种具备多重环境响应驱动性能的智能氧化石墨烯薄膜材料，并为其提供一种制备方法和应用。原料简单易得，制备工艺简单，设备无特殊要求，所制备材料性能优异。一种多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜，所述多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜为还原氧化石墨稀/氧化石墨烯复合结构，还原氧化石墨烯与氧化石墨烯为一体化的结构，具备湿度、热、电三重响应驱动性能。进一步的，所述的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜在不同的湿度、温度、电压及不同强度的红外光作用下，会有不同程度的弯曲，弯曲角度在30～720度之间。本专利技术还提供了多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将氧化石墨烯粉体与水混合，经超声分散制备氧化石墨烯分散液，然后经真空抽滤制备氧化石墨烯薄膜；步骤二、将氧化石墨烯薄膜连同滤膜同时固定在基底上，滤膜在下氧化石墨烯薄膜在上，置于密闭容器之中，加入氢碘酸于90℃条件下进行梯度还原，还原结束后将氧化石墨烯薄膜从滤膜上揭下。更进一步的方案是：将氧化石墨烯粉体与水混合之后，剧烈搅拌使其湿润，利用高速剪切机剪切分散5min，在剪切完毕后超声分散，超声分散数小时至无明显沉淀。更进一步的方案是：步骤二中，基底为倒扣的玻璃培养皿，密闭容器为经密封处理的烧杯。更进一步的方案是：所述的滤膜为醋酸纤维素类水系滤膜，该类滤膜对氢碘酸蒸汽有一定的耐受性，且同时具备过滤及掩膜版两种功能。更进一步的方案是：用于真空抽滤的氧化石墨烯分散液浓度为1～10毫克/毫升。更进一步的方案是：还原过程中氢碘酸质量浓度为35％～55％，还原时间为3～12小时。更进一步的方案是：所用的制备氧化石墨烯薄膜的石墨烯分散液体积为3～20毫升。步骤1中，抽滤制得的氧化石墨烯薄膜厚度为1～12微米。步骤2中，制得的驱动响应薄膜厚度为2～20微米。本专利技术还提供了多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的应用，具体是应用于智能机器人，人造皮肤和可穿戴材料领域。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术所提供的响应驱动智能石墨烯薄膜的制备方法，在制备过程中，制备工艺温度都在室温或100℃以下，无需高压或惰性气体保护，条件温和可控，制备工艺简单。(2)现有的响应驱动薄膜大都采用两步法制备，所制备的材料难以解决上下两层之间的结合力问题。而本专利技术制备的薄膜可以很好的解决这一问题，所制得的材料具备优异的环境稳定性。附图说明图1是实施例2中还原前后石墨烯薄膜的扫描电镜照片(a为还原前GO，b为还原后正面rGO，c为还原后反面GO，d为还原前截面，e为还原后截面)。图2是实施例2中所制备石墨烯薄膜的上下两面的水接触角(a为正面rGO,b为反面GO)。图3是实施例2中所制备石墨烯薄膜的上下两面的拉曼光谱图。图4是实施例2中所制备石墨烯薄膜的上下两面的X射线光电子能谱图(a为正面rGO,b为反面GO)。图5是实施例2中所制备石墨烯薄膜不同湿度下弯曲角度变化过程。图6是实施例2中所制备石墨烯薄膜不同温度下弯曲角度变化过程。图7是实施例2中所制备石墨烯薄膜通电前后弯曲角度变化过程。图8是本专利技术多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步详细说明，但本专利技术保护的范围不限于这些实施例。实施例1以膨胀石墨为原料，通过改性Hummers法制备氧化石墨烯。膨胀石墨(5g)、浓硫酸(300mL)、五氧化二磷(6.2g)及过硫酸钾(4.2g)依次加入500mL三口烧瓶中，于80℃反应5小时，冷却加水稀释，水洗抽滤烘干得预氧化膨胀石墨。将上述预氧化膨胀石墨加入500mL三口烧瓶中，加入200mL浓硫酸，于冰浴条件下缓慢加入15g高锰酸钾，冰浴条件下继续搅拌一个小时。待混合物呈现墨绿色时升温至35℃，继续反应2.5小时。反应结束后冷却至室温，将反应液倒入1600mL去离子水中，待温度降至室温后加入适量30％双氧水至混合液呈亮黄色。静置过夜，倾倒上层清液，超声2小时，再加入50mL2mol/L盐酸溶液洗涤一次。之后用大量去离子水洗涤至较弱酸性，再将混合物进行透析，透析完成后冷冻干燥即得氧化石墨烯粉体。实施例2称取100mg的氧化石墨烯粉末与100mL去离子水混合，剧烈搅拌使其润湿。然后利用高速剪切机剪切分散5分钟，剪切完毕置于超声波清洗仪中超声分散2小时至无明显沉淀。用注射器量取5mL的氧化石墨烯分散液注入抽滤漏斗中，持续抽滤直至无明显液体存在，将滤膜取下自然晾干备用。将上述晾干待用的滤膜固定在倒扣的玻璃培养皿上，将培养品置于合适大小的烧杯中，沿烧杯壁加入2.5mL的45％氢碘酸并对烧杯做密封处理。之后将烧杯置于90℃条件下还原反应9小时。反应结束后，烧杯凉至室温取下滤膜并将上层薄膜小心揭下即得智能响应驱动薄膜。通过X射线光电子能谱(XPS)、水接触角、拉曼光谱、扫面电镜对还原前后的前后的氧化石墨烯薄膜进行材料表征，其结果见附图1～4。在不同湿度下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜，其特征在于，所述多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜为还原氧化石墨稀/氧化石墨烯复合结构，还原氧化石墨烯与氧化石墨烯为一体化的结构，具备湿度、热、电三重响应驱动性能。

【技术特征摘要】
1.一种多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜，其特征在于，所述多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜为还原氧化石墨稀/氧化石墨烯复合结构，还原氧化石墨烯与氧化石墨烯为一体化的结构，具备湿度、热、电三重响应驱动性能。2.根据权利要求1所述多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜，其特征在于，所述的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜在不同的湿度、温度、电压及不同强度的红外光作用下，会有不同程度的弯曲，弯曲角度在30～720度之间。3.权利要求1或2所述的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、将氧化石墨烯粉体与水混合，经超声分散制备氧化石墨烯分散液，然后经真空抽滤制备氧化石墨烯薄膜；步骤二、将氧化石墨烯薄膜连同滤膜同时固定在基底上，滤膜在下氧化石墨烯薄膜在上，置于密闭容器之中，加入氢碘酸于90℃条件下进行梯度还原，还原结束后将氧化石墨烯薄膜从滤膜上揭下。4.根据权利要求3所述的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：将氧化石墨烯粉体与水混合之后，剧烈搅拌使其湿润，利用高速剪切机剪切分散5min，在剪切完毕后超声分散，超声分散数小时至...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，程建丽，杨杰，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51