一种石墨烯双层电致动膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯双层电致动膜及其制备方法，该石墨烯双层电致动膜由柔性导电层和柔性聚合物层组成；制备方法是：采用Hummers法，将鳞片石墨粉、NaNO3、硫酸、KMnO4，以及去离子水混合反应，经洗涤、干燥得到氧化石墨烯；将氧化石墨烯、水合联氨、氨水、去离子水混合超声分散后经反应，得到还原氧化石墨烯分散液；在柔性聚合物层‑‑聚合物薄膜上滴涂或旋转涂膜还原氧化石墨烯分散液，经干燥，即在聚合物薄膜表面形成一层柔性导电层，制得石墨烯双层电致动膜。本发明专利技术石墨烯双层电致动膜在电的驱动下具有高响应性、低功率、宽耐压范围等特性，可应用于柔性穿戴设备、微型电机致动器、微型机器人等领域。

A double layer electrokinetic film of graphene and its preparation method

The invention discloses a graphene bilayer electroactive membrane and a preparation method thereof, the graphene bilayer membrane electric actuator by a flexible conductive layer and a flexible polymer layer; the preparation method is: using Hummers method, the flake graphite powder, sulfuric acid, NaNO3, KMnO4, and deionized water by mixing reaction washing and drying to obtain graphene oxide; graphene oxide, hydrazine, ammonia, deionized water ultrasonic dispersion after reaction, reduction of graphene oxide dispersion; flexible polymer layer polymer film coating or spin coating reduced graphene oxide dispersion, after drying, forming a layer of flexible the conductive layer on polymer film surface, made Shi Moxi double layer electrically actuated membrane. The graphene double-layer electrodynamic membrane has the characteristics of high responsiveness, low power and wide voltage range under the drive of electricity, and can be applied to the fields of flexible wearable device, micro motor actuator, micro robot and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯双层电致动膜及其制备方法
本专利技术属于智能材料及其制备，涉及一种石墨烯双层电致动膜及其制备方法，特别涉及于石墨烯聚合物层状膜材料及其制备以及电致动功能薄膜的应用，本专利技术石墨烯双层电致动膜可应用于柔性穿戴设备、微型电机致动器、微型机器人等领域。
技术介绍
致动器技术作为一种仿生技术，在材料、能源、电子等领域的研究十分广泛。目前，致动器的致动形式有光致动、离子致动、磁致动、化学致动和电致动等，按致动材料主要有压电陶瓷、液晶聚合物类、导电聚合物类、离子交换类和碳系材料等类。电能作为一种常见的清洁能源，可以通过调节输入电信号的类型、电流强度等实现对致动动作的有效控制。现有技术中，电致动材料主要有压电陶瓷、形状记忆合金、聚合物基电致形变材料三类。聚合物基电致形变材料相比于压电陶瓷材料具有较大的应变率，相比于形状记忆合金具有低密度和高弹性等优势。聚合物基电致动材料主要依靠电致伸缩或带电粒子的迁移等引起微小形变，通过聚合物基的形变差产生宏观形变。电致伸缩材料的致动电压较大(＞100V/μm)，致动功率大。离子交换材料的致动电压虽然相比于电致伸缩材料低，但是这类材料的位移相应比较慢，致动所需的功率较大，而且响应的频率不可控。近年来，以石墨烯作为致动材料开始受到人们的关注。CN105803403公开了“一种电致动的氧化石墨烯/金属双层薄膜及其制备方法”，用热蒸发的方法制备了非对称的金属石墨烯的双层膜，依靠金属材料与石墨烯的膨胀率差，实现了氧化石墨烯/金属双层薄膜电响应的弯曲膜，由于金属的弯曲模量大，因此该双层薄膜具有致动电压大、响应速率慢、制作成本高和工艺复杂等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种石墨烯双层电致动膜及其制备方法。本专利技术采用柔性聚合物薄膜为基底，通过滴涂或旋转涂膜的方法在聚合物薄膜上沉积还原氧化石墨烯分散液(或添加有高电导率物质--导电填料的还原氧化石墨烯分散液)，然后经干燥形成有柔性导电层的石墨烯-聚合物的双层功能膜，柔性导电层(石墨烯层)在有外接电流的情况下，电流的热效应使双层膜弯曲，实现电可控的双层薄膜电致动弯曲形变，通过对石墨烯层的电导率、膜的厚度调控，以及对电压电流的控制，实现膜的多种弯曲、收缩、摆动等形式的运动。从而提供一种高灵敏、低功耗的电响应致动材料以及该材料的制备方法。本专利技术的内容是：一种石墨烯双层电致动膜，其特征是：该石墨烯双层电致动膜由柔性导电层和柔性聚合物层组成；是由柔性聚合物层，以及采用旋转涂膜或滴涂(或称为溶液铸模)的方法在柔性聚合物层(膜)上沉积得到的柔性导电层制备而成；在电流通过柔性导电层时，电流的热效应使双层膜发热膨胀，通过柔性导电层与柔性聚合物层的热膨胀差，使致动膜发生弯曲、摆动、振动、收缩、变形等多种形式的机械运动，实现对电信号的响应，将电能转换为机械能。本专利技术的内容中：所述柔性聚合物层可以是聚乙烯薄膜(产品生产企业和产品型号有：中原乙烯实业有限公司，型号7050)、聚丙烯薄膜(产品生产企业和产品型号有：北京燕山石油化工有限公司，型号K1205)、聚氯乙烯薄膜(产品生产企业和产品型号有：齐鲁石油化工公司，型号：S-1000)、聚偏氯乙烯薄膜(产品生产企业和产品型号有：上海名列新材料有限公司,型号X220)、以及聚偏氟乙烯薄膜(产品生产企业和产品型号有：Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，型号GF23361892)等中的任一种或多种聚合物制备的商业化聚合物膜。本专利技术的内容中：所述柔性导电层为还原氧化石墨烯或添加有导电填料的还原氧化石墨烯制得的膜，该氧化石墨烯是具有一定还原程度的氧化石墨烯(由于Hummers法合成的氧化石墨烯，在石墨烯层间有较多的含氧官能团，采用水合肼法还原氧化石墨烯上的部分含氧官能团，所以此处采用水合肼法还原的氧化石墨烯是具有一定还原程度的氧化石墨烯)。所述导电填料可以是聚苯胺(产品生产企业和产品型号有：广东翁江化学试剂，型号25233-30-1)、聚噻吩(产品生产企业和产品型号有：上海阿拉丁试剂P137419-500mg)、聚吡咯(产品生产企业和产品型号有：Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，型号578177-10G)、聚乙炔(产品生产企业和产品型号有：Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，型号649473-250MG)、聚苯撑(产品生产企业和产品型号有：Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，型号191094-50G)、以及聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(简称PEDOT/PSS)(产品生产企业和产品型号有：Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，型号483095-250G)等具有共轭π键的高分子导电聚合物中的一种或两种以上的混合物；也可以是导电金属细微粉。本专利技术的内容中：所述柔性聚合物层的厚度可以为20～600μm(较好的厚度为20～100μm)，所述柔性导电层的厚度可以为2～160μm。所述石墨烯双层电致动膜(双层电致动膜是指一种具有双层结构、在电的作用下产生形变的薄膜，此双层结构是指具有一定还原程度的氧化石墨烯和聚合物形成的双层结构)中，柔性导电层的电导率为10-6～102S/cm，为导电材料，柔性聚合物层的电导率为＞106S/cm，为绝缘材料。本专利技术的另一内容是：一种石墨烯双层电致动膜的制备方法，其特征是步骤如下：a、合成氧化石墨烯：①氧化石墨烯采用Hummers法合成(Hummers法是目前实验室常见的合成方法，该方法利用石墨在强酸强氧化环境下被剥离成层数较少的石墨烯。Hummers法的具体相关文献有：HummersJrWS,OffemanRE.Preparationofgraphiticoxide[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,1958,80(6):1339-1339.)，取鳞片石墨粉(鳞片石墨粉的生产企业：上海阿拉丁试剂、Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司等)1.0～2.0g、NaNO30.5～1.0g，在冰浴的温度下(温度0～5℃)加入质量百分比浓度为98％的浓硫酸38.0～48.0ml，搅拌下再加入KMnO46.0g，并控制反应温度在4～10℃；②反应90～130min后升温至30～50℃，(剧烈)搅拌40～80min后升温至80～120℃并加入70～120ml去离子水，(中速)(转速为40～60r/min)搅拌20～50min后，冷却至室温；③在室温下加入40～120ml去离子水和6～18ml质量百分比浓度为30％的过氧化氢水溶液，搅拌20～60min，过滤，固体物用质量百分比浓度为5～10％的盐酸洗涤(以除去金属离子)，过滤或离心后倒去上清液体，固体物冷冻干燥(温度-5℃，冷冻干燥48小时)，得到氧化石墨烯固体；b、制备还原氧化石墨烯分散液：①取氧化石墨烯和去离子水，配制成氧化石墨烯：去离子水的质量比为1:1.5～4的悬浊液，超声混合15～40min，使氧化石墨烯完全分散在去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；②取氧化石墨烯分散液15～45ml，加入水合联氨15～150μl(微升)、质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯双层电致动膜，其特征是：该石墨烯双层电致动膜由柔性导电层和柔性聚合物层组成。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯双层电致动膜，其特征是：该石墨烯双层电致动膜由柔性导电层和柔性聚合物层组成。2.按权利要求1所述的石墨烯双层电致动膜，其特征是：所述柔性聚合物层是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚偏氯乙烯薄膜、以及聚偏氟乙烯薄膜中的任一种或多种聚合物制备的商业化聚合物膜。3.按权利要求1所述的石墨烯双层电致动膜，其特征是：所述柔性导电层为还原氧化石墨烯或添加有导电填料的还原氧化石墨烯制得的膜。4.按权利要求3所述的石墨烯双层电致动膜，其特征是：所述导电填料是聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚苯撑、以及聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐中的一种或两种及以上的混合物。5.按权利要求1所述的石墨烯双层电致动膜，其特征是：所述柔性聚合物层的厚度为20～600μm，所述柔性导电层的厚度为2～160μm。6.一种石墨烯双层电致动膜的制备方法，其特征是步骤如下：a、合成氧化石墨烯：①取鳞片石墨粉1.0～2.0g、NaNO30.5～1.0g，在冰浴的温度下加入质量百分比浓度为98%的浓硫酸38.0～48.0ml，搅拌下再加入KMnO46.0g，并控制反应温度在4～10℃；②反应90～130min后升温至30～50℃，搅拌40～80min后升温至80～120℃并加入70～120ml去离子水，搅拌20～50min后，冷却至室温；③在室温下加入40～120ml去离子水和6～18ml质量百分比浓度为30%的过氧化氢水溶液，搅拌20～60min，过滤，固体物用质量百分比浓度为5～10%的盐酸洗涤，过滤或离心后倒去上清液体，固体物经冷冻干燥，得到氧化石墨烯固体；b、制备还原氧化石墨烯分散液：①取氧化石墨烯和去离子水，配制成氧化石墨烯：去离子水的质量比为1:1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑，桑玮，赵黎明，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51