一种电致动薄膜材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种电致动薄膜材料及其制备和应用，电致动薄膜材料为氧化石墨烯/碳纳米管薄膜。将碳纳米管和表面活性剂加入水中，处理，得到碳纳米管悬浮液，真空抽滤，得到碳纳米管薄膜；将氧化石墨溶于水中，处理，得到氧化石墨烯溶胶，然后刮涂到碳纳米管薄膜上，烘干，重复刮涂、烘干，即得。本发明专利技术的制备方法简单快速，可规模化生产，所获得的氧化石墨烯/碳纳米管薄膜具有迅速、显著、稳定的电致变形性能，在柔性电致动器、机械臂和人造肌肉等领域具有重要应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电致动材料及其制备和应用领域，特别涉及一种电致动薄膜材料及其制备和应用。
技术介绍
致动材料是一种能够对外界环境的刺激如光、热、电、湿度、磁场、化学气氛等做出响应的智能材料，由此便可将致动材料分为光致动材料、热致动材料、电致动材料、磁致动材料、化学环境致动材料等。其中电具有清洁无污染、易得、可控的优势，于是电致动材料具有极大的研究价值和应用前景。现有的电致动材料有形状记忆合金、电活性陶瓷材料、离子交换树脂金属复合材料等。但驱动电压大、形变量小以及高分子的低化学稳定性等缺陷都在不同程度上限制了这些材料的应用领域。碳基材料由其多变可调的形态和性质受到了科研学者的广泛关注。其中，石墨烯被发现以来，其具有的一系列优良的物理化学性能掀起了研究热潮，氧化石墨烯也是其重要的一种衍生物。目前以氧化石墨烯为基础的光、水汽致动薄膜已有报道，大部分是对氧化石墨烯薄膜进行梯度的、非均匀性的设计，使其对光、水汽等刺激产生不对称的响应而表现出宏观形变。而全碳的电致动器件由于其结构设计、电驱动控制的复杂而鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种电致动薄膜材料及其制备和应用，本专利技术的制备方法简单快速，可规模化生产。本专利技术的一种电致动薄膜材料，所述电致动薄膜材料为氧化石墨烯/碳纳米管薄膜，由氧化石墨烯层和碳纳米管层复合而成。两层不同的组分之间存在亲水性、导电性和膨胀系数的差异而具有非对称结构，其中电致动薄膜材料的厚度为2～50μm。本专利技术的一种如权利要求1所述的电致动薄膜材料的制备方法，包括：(1)将碳纳米管和表面活性剂加入水中，处理，得到碳纳米管悬浮液，真空抽滤，得到碳纳米管薄膜；(2)将氧化石墨溶于水中，处理，得到氧化石墨烯溶胶，然后刮涂到步骤(1)的碳纳米管薄膜上，烘干，重复刮涂、烘干，即得电致动薄膜材料。所述步骤(1)中碳纳米管和表面活性剂的质量比为1-2:3；碳纳米管在悬浮液中的浓度为0.1～10mg/mL。所述步骤(1)中表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵等。所述步骤(1)中将碳纳米管和表面活性剂加入水中，调节pH为2～5。所述步骤(1)中处理为：细胞粉碎仪处理，处理时间为1-10h。所述步骤(1)中真空抽滤为：将碳纳米管悬浮液倒入砂芯漏斗中以PVDF膜为滤膜，通过循环水真空泵进行抽滤。所述步骤(2)中处理为：细胞粉碎仪处理，处理时间为2-24h；烘干为：烘箱烘干的温度为40～80℃；时间为5～30min。所述步骤(2)中氧化石墨烯溶胶的浓度为5～20mg/mL。所述步骤(2)中重复刮涂、烘干的次数为5～50次。所述步骤(1)、(2)中的水均为超纯水。本专利技术的一种电致动薄膜的应用，在柔性电致动器、机械臂、人造肌肉领域中的应用。本专利技术通过改变碳纳米管悬浮液和氧化石墨烯溶胶的浓度、抽滤碳纳米管悬浮液的体积和氧化石墨烯溶胶刮涂的层数可以实现对电致动氧化石墨烯/碳纳米管薄膜厚度的控制。氧化石墨烯层和碳纳米管层存在亲水性、导电性、热膨胀系数等一系列物理化学性质上的差异，导致在对外界刺激如外加电压而在内部产生应力梯度，在宏观上产生致动形变。本专利技术电致动薄膜材料具有非对称结构和迅速、显著、稳定的电致变形性能。有益效果(1)本专利技术的制备方法简单快速，可规模化生产；(2)本专利技术所制备的电致动氧化石墨烯/碳纳米管薄膜作为全碳材料器件，极大地减小了不同组分之间存在的界面问题；(3)本专利技术所制备的电致动氧化石墨烯/碳纳米管薄膜能在低电压下驱动，响应快速，形变量大，致动行为明显，循环稳定性较好，在柔性电致动器、机械臂和人造肌肉等领域具有重要应用价值。附图说明图1为实施例1中氧化石墨烯/碳纳米管薄膜两个表面的SEM图；其中(a)为氧化石墨烯层表面；(b)为碳纳米管层表面；图2为实施例1中氧化石墨烯/碳纳米管薄膜截面的SEM图；图3为实施例1中氧化石墨烯/碳纳米管薄膜在5V直流电压下的宏观致动效果展示图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1在室温下，称取25mg碳纳米管和75mg十二烷基苯磺酸钠，量取50mL超纯水倒入50mL的烧杯中将药品混合，用浓盐酸调节pH值至2，搅拌后将装有混合试剂药品的玻璃瓶置于冰水浴中用细胞粉碎仪处理4h使碳纳米管分散均匀，得到了碳纳米管悬浮液，并取20mL以PVDF膜作滤膜用循环水真空泵进行抽滤并用纯水滤洗后得到单壁碳纳米管薄膜，用3M胶带固定放置备用；称取400mg氧化石墨粉末置于50mL的烧杯中，倒入40mL超纯水搅拌配成浓度为10mg/mL的分散液，然后用细胞粉碎仪在冰水浴中处理10h得到浓度为10mg/mL的氧化石墨烯溶胶40mL，用吸管吸取每次滴3滴氧化石墨烯溶胶在固定好的碳纳米管薄膜上，用刮刀刮涂均匀，放入60℃烘箱中烘干，重复刮涂烘干20次得到氧化石墨烯/碳纳米管薄膜。从图1可以看出氧化石墨烯层和碳纳米管层表面形貌截然不同，碳纳米管均匀分布在碳纳米管层表面，具有优秀的导电性。从图2薄膜截面的SEM图中可以得出，该薄膜的厚度为24μm。图3为实施例中氧化石墨烯/碳纳米管薄膜在5V直流电压下的宏观致动效果展示图，0～8s为薄膜的变形过程，8s以后开始恢复，40s时完全复原。该过程中薄膜变形迅速，且整个过程能多次重复，循环稳定性较好。实施例2在室温下，称取50mg碳纳米管和75mg十二烷基苯磺酸钠，量取50mL超纯水倒入50mL的烧杯中将药品混合，用浓盐酸调节pH值至2，搅拌后将装有混合试剂药品的玻璃瓶置于冰水浴中用细胞粉碎仪处理4h使碳纳米管分散均匀，得到了碳纳米管悬浮液，并取20mL以PVDF膜作滤膜用循环水真空泵进行抽滤并用纯水滤洗后得到单壁碳纳米管薄膜，用3M胶带固定放置备用；称取400mg氧化石墨粉末置于50mL的烧杯中，倒入40mL超纯水搅拌配成浓度为10mg/mL的分散液，然后用细胞粉碎仪在冰水浴中处理10h得到浓度为10mg/mL的氧化石墨烯溶胶40mL，用吸管吸取每次滴3滴氧化石墨烯溶胶在固定好的碳纳米管薄膜上，用刮刀刮涂均匀，放入60℃烘箱中烘干，重复刮涂烘干20次得到氧化石墨烯/碳纳米管薄膜。氧化石墨烯/碳纳米管薄膜在5V直流电压下，0～12s为薄膜的变形过程，12s以后开始恢复，44s时完全复原。实施例3在室温下，称取25mg碳纳米管和75mg十二烷基苯磺酸钠，量取50mL超纯水倒入50mL的烧杯中将药品混合，用浓盐酸调节pH值至2，搅拌后将装有混合试剂药品的玻璃瓶置于冰水浴中用细胞粉碎仪处理4h使碳纳米管分散均匀，得到了碳纳米管悬浮液，并取20mL以PVDF膜作滤膜用循环水真空泵进行抽滤并用纯水滤洗后得到单壁碳纳米管薄膜，用3M胶带固定放置备用；称取400mg氧化石墨粉末置于50mL的烧杯中，倒入40mL超纯水搅拌配成浓度为10mg/mL的分散液，然后用细胞粉碎仪在冰水浴中处理10h得到浓度为10mg/mL的氧化石墨烯溶胶40mL，用吸管吸取每次滴3滴氧化石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电致动薄膜材料，其特征在于：所述电致动薄膜材料为氧化石墨烯/碳纳米管薄膜，其中电致动薄膜材料的厚度为2～50μm。

【技术特征摘要】
1.一种电致动薄膜材料，其特征在于：所述电致动薄膜材料为氧化石墨烯/碳纳米管薄膜，其中电致动薄膜材料的厚度为2～50μm。2.一种如权利要求1所述的电致动薄膜材料的制备方法，包括：(1)将碳纳米管和表面活性剂加入水中，处理，得到碳纳米管悬浮液，真空抽滤，得到碳纳米管薄膜；(2)将氧化石墨溶于水中，处理，得到氧化石墨烯溶胶，然后刮涂到步骤(1)的碳纳米管薄膜上，烘干，重复刮涂、烘干，即得电致动薄膜材料。3.根据权利要求2所述的一种电致动薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中碳纳米管和表面活性剂的质量比为1-2:3；碳纳米管悬浮液的浓度为0.1～10mg/mL。4.根据权利要求2所述的一种电致动薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中表面活性剂为十二烷基苯磺酸、或十二烷基磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵。5.根据权利要求2所述的一种电致动薄膜材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏志，景暘珉，时秋伟，李耀刚，张青红，侯成义，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31