纳米纤维基仿生驱动薄膜及其制备方法与应用技术

技术编号:20322350 阅读:29 留言:0更新日期:2019-02-13 02:56
本发明专利技术公开了一种纳米纤维基仿生驱动薄膜及其制备方法与应用,属于柔性湿度传感器材料技术领域。该纳米纤维基仿生驱动薄膜由PVA‑co‑PE纳米纤维、氧化石墨烯及银纳米线组成,具体的制备过程为将氧化石墨烯水溶液和银纳米线醇溶液依次分别加入到PVA‑co‑PE纳米纤维悬浮液中,充分搅拌混合均匀得混合液,再将混合液喷涂于PET基材上并置于烘箱中干燥,烘干后去除PET基材即制备得到纳米纤维基仿生驱动薄膜。本发明专利技术的制备工艺相对简单,制备得到的纳米纤维基仿生驱动薄膜在环境湿度刺激下可以产生快速、可逆的弯曲变形行为。

Biomimetic Driving Film Based on Nanofibers and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a nanofiber-based bionic driving film and its preparation method and application, belonging to the technical field of flexible humidity sensor materials. The nanofibre-based biomimetic driving film consists of PVA co_PE nanofibers, graphene oxide and silver nanowires. The specific preparation process is to add graphene oxide aqueous solution and silver nanowires alcohol solution into PVA co_PE nanofibers suspension in turn, mix well and evenly, then spray the mixture onto the PET substrate and dry it in the oven. The bionic driving film based on nanofibers was prepared by removing the PET substrate after drying. The preparation process of the present invention is relatively simple, and the prepared nanofibre-based bionic driving film can produce rapid and reversible bending deformation under the stimulation of environmental humidity.

【技术实现步骤摘要】
纳米纤维基仿生驱动薄膜及其制备方法与应用
本专利技术涉及自驱动薄膜,属于柔性湿度传感器材料
,具体地涉及一种纳米纤维基仿生驱动薄膜及其制备方法与应用。
技术介绍
自驱动薄膜一种自驱动器(autonomousactuator),可以响应外界条件变化,自身产生形变。对外部环境敏感性强的自驱动器(例如,极小的温度或湿度变化即可实现较大形变)在传感、能量转换等方面具有广阔的应用前景。其中,从原理上讲,这类薄膜材料首先需要具有不对称的结构,薄膜两侧对湿度具有不同的响应能力,如不同的吸水膨胀率。而这种对结构的要求也使得制备过程通常十分复杂。如中国专利技术专利申请(申请公布号:CN107268182A,申请公布日:2017-10-20)公开了对湿度敏感的纳米微晶纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法,具体公开了将水解纤维素得到的纳米微晶纤维素悬浮液与热塑性聚合物纳米纤维悬浮液混合均匀后涂覆于基材表面,干燥,除去基材即制备得到对湿度敏感的纳米微晶纤维素纳米纤维复合膜。该复合膜对湿度响应的原理在于:纳米微晶纤维素上丰富的羟基,亲水性极好,当复合膜一侧湿度变大后,水分子和纳米微晶纤维素上的羟基产生氢键结合,体积变大,从而驱动整个复合纳米纤维膜向湿度大的一侧弯曲,根据弯曲的角度可以对应计算出湿度的大小。然而,水解纤维素得到纳米微晶纤维素悬浮液的工艺过程比较复杂,一旦控制不好相关工艺参数,就不能得到纳米微晶纤维素悬浮液。又如日本理研中心(RIKEN)的DaigoMiyajima博士和东京大学的TakuzoAida教授等人报道了一种可在正常的环境湿度下使用,微小的湿度扰动即可实现形变的自驱动薄膜,相关成果发表于材料学顶级期刊NatureMaterials上(Anautonomousactuatordrivenbyfluctuationsinambienthumidity,NatureMater.,2016,DOI:10.1038/NMAT4693)。具体的制备过程为:将碳酸胍粉末置于试管内,高温煅烧即可在试管壁上获得一层淡黄色的透明薄膜。这是一种π-π堆积的碳氮聚合物薄膜,π平面沿着试管壁方向生长,形成了取向性极强的层状堆砌结构,层间距为3.23埃,这种薄膜具备不对称性,这种不对称性也导致了其独特的环境响应性:当环境湿度升高时,材料表面吸水,水分子与N-H结构形成氢键,薄膜表面膨胀;当环境湿度降低时,材料表面逐渐失水,薄膜自身的N-H结构形成氢键,从而发生收缩。虽然这种薄膜对湿度变化的敏感性特别高,仅需每10平方毫米几百纳克的吸附水即可实现其由平面状态向卷曲状态的转变。然而这种材料硬度较大。与此同时,中国专利技术专利申请(申请公布号:CN106587016A,申请公布日:2017-4-26)公开了一种氧化石墨烯湿度响应执行器及其制备方法,该氧化石墨烯湿度响应执行器由亲水层和疏水层组成,亲水层为厚度2~5微米的氧化石墨烯,疏水层为厚度1~2微米的还原氧化石墨烯,具体响应过程为:在环境湿度增加时,可依靠氧化石墨烯亲水层吸收水分而膨胀,还原氧化石墨烯疏水层不吸水分而相对紧致,使环境湿度的影响转变成为机械应变,达到绿色环保驱动器件的效果。然而这种湿度响应执行器的灵敏度不是特别的高。
技术实现思路
为解决上述技术问题,本专利技术提供了一种工艺环保简单,制备得到的产品对外界湿度刺激响应速度快,弯曲角度大,并且循环稳定性良好的纳米纤维基仿生驱动薄膜及其制备方法与应用。为实现上述目的,本专利技术公开了一种纳米纤维基仿生驱动薄膜,它由质量比为(100~160):(3~12):(5~20)的PVA-co-PE纳米纤维、氧化石墨烯和银纳米线组成,所述驱动薄膜的厚度分布在40~60μm,所述PVA-co-PE纳米纤维的纤维直径分布在100~200nm之间。优选的,所述PVA-co-PE纳米纤维、氧化石墨烯和银纳米线之间的质量比为(120~140):(5~10):(8~15)。最优的,所述PVA-co-PE纳米纤维、氧化石墨烯和银纳米线之间的质量比为135:10:8。最优的,所述PVA-co-PE纳米纤维的纤维直径分布在120~180nm之间,该纳米纤维具备很好的成膜性,促进氧化石墨烯与银纳米线成膜制备得到驱动薄膜,并保证制备得到柔性驱动薄膜用于柔性湿度传感器中。最优的,所述PVA-co-PE纳米纤维的纤维直径分布在150nm。最优的,所述PVA-co-PE纳米纤维的纤维直径分布在180nm。最优的,所述驱动薄膜的厚度分布在40μm、45μm、50μm、60μm中的一种。进一步地,所述银纳米线为直径40~60nm,长度为25~35μm的柔性纳米线状结构。其中,银纳米线的金属支撑结构赋予了驱动薄膜优异的弯曲-回复性能。最优的,所述银纳米线为直径50nm,长度为25μm的纳米线状结构。进一步地,所述氧化石墨烯为通过改进的Hummers方法制得的具备良好亲水性材料,该亲水性材料是一种类似蜂窝状网络结构的片层薄膜,具有大量的含氧官能团保证其与环境中的水分子之间发生快速的吸附-解吸行为,从而赋予了驱动薄膜优异的湿度敏感性。进一步地,所述纳米纤维基仿生驱动薄膜对环境湿度的弯曲角度最大可达150°,响应时间为0.8s。进一步地,所述纳米纤维基仿生驱动薄膜置于人手掌中,自发完成360°的连续翻转运动。为了更好的实现本专利技术的目的,本专利技术还公开了上述纳米纤维基仿生驱动薄膜的制备方法,它包括将氧化石墨烯水溶液和银纳米线醇溶液依次分别加入到PVA-co-PE纳米纤维悬浮液中,充分搅拌混合均匀得混合液,再将所述混合液喷涂于PET基材上并置于烘箱中干燥,烘干后去除PET基材即制备得到厚度分布在40~60μm之间的纳米纤维基仿生驱动薄膜。本专利技术采用表面比较光滑的PET无纺布作为纳米纤维薄膜的衬底,一方面可以使烘干后的驱动薄膜在常温下与基底轻易分离,另一方面保证了制备得到的驱动薄膜材料的上下表面平整性较好。进一步地,将喷涂混合液后的PET基材置于烘箱中,控制干燥温度为40~80℃,处理2~6h。最优的,将喷涂混合液后的PET基材置于烘箱中,控制干燥温度为60℃,处理4h。进一步地,所述氧化石墨烯水溶液的质量浓度为2mg/mL~10mg/mL。最优的,所述氧化石墨烯水溶液的质量浓度为5mg/mL。进一步地,所述银纳米线醇溶液为将银纳米线置于乙醇中配置得到质量浓度为5mg/mL~20mg/mL的溶液。最优的,所述银纳米线醇溶液的质量浓度为10mg/mL。进一步地,所述PVA-co-PE纳米纤维悬浮液的质量百分比含量为1%~4%,其中,PVA-co-PE纳米纤维悬浮液的稳定性较好,与银纳米线、氧化石墨烯混合后,可以大大提高银纳米线与氧化石墨烯的分散均匀性,避免了氧化石墨烯的团聚和银纳米线的沉淀。最优的,所述PVA-co-PE纳米纤维悬浮液的的质量百分比含量为2%。优选的,所述PVA-co-PE纳米纤维悬浮液的配置过程为:采用熔融共混挤出相分离法制备出PVA-co-PE/CAB复合纤维,用丙酮将复合纤维中的CAB去除得到纯的PVA-co-PE纳米纤维。所述PVA-co-PE纳米纤维悬浮液的质量百分浓度为1%~4%,所述混合溶液为异丙醇与水的混合溶液,且异丙醇与去离子水的质量比为7:3~5:5。然后将P本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种纳米纤维基仿生驱动薄膜,其特征在于:它由质量比为(100~160):(3~12):(5~20)的PVA‑co‑PE纳米纤维、氧化石墨烯和银纳米线组成,所述驱动薄膜的厚度分布在40~60μm,所述PVA‑co‑PE纳米纤维的纤维直径分布在100~200nm之间。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维基仿生驱动薄膜,其特征在于:它由质量比为(100~160):(3~12):(5~20)的PVA-co-PE纳米纤维、氧化石墨烯和银纳米线组成,所述驱动薄膜的厚度分布在40~60μm,所述PVA-co-PE纳米纤维的纤维直径分布在100~200nm之间。2.根据权利要求1所述纳米纤维基仿生驱动薄膜,其特征在于:所述银纳米线为直径40~60nm,长度为25~35μm的纳米线状结构。3.根据权利要求1或2所述纳米纤维基仿生驱动薄膜,其特征在于:所述氧化石墨烯为通过改进的Hummers方法制得的具备良好亲水性材料。4.根据权利要求3所述纳米纤维基仿生驱动薄膜,其特征在于:所述纳米纤维基仿生驱动薄膜对环境湿度的弯曲角度可达150°,响应时间为0.8s。5.根据权利要求3所述纳米纤维基仿生驱动薄膜,其特征在于:所述纳米纤维基仿生驱动薄膜置于人手掌中,自发完成360°的连续翻转...

【专利技术属性】
技术研发人员:王栋王文向晨雪
申请(专利权)人:武汉纺织大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1