一种具有能量转化效应的形状记忆Janus材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有能量转化效应的形状记忆Janus材料的制备方法，着眼于设计和制备具有不对称表面性质的纸片(Janus纸片)，以实现可控的不对称润湿和溶胀行为并以此驱动材料的宏观可逆形变，以实现从溶胀势能到机械能的转化。本发明专利技术包括工作平台的搭建、Janus纸片的制备、能量转化装置的设计与评估等步骤。所得的Janus纸片材料在水环境中短时间发生弯曲形变，形变后曲率达到200m

A preparation method of shape memory Janus material with energy conversion effect

The invention discloses a preparation method of a shape memory Janus material with energy conversion effect, focusing on the design and preparation of a sheet of paper with asymmetric surface properties (Janus paper) to realize controlled asymmetric wetting and swelling behavior and to drive the macroscopic reversible deformation of the material in order to realize the swelling potential energy to the mechanical energy. Transformation. The invention comprises the steps of building a working platform, preparing Janus sheets, and designing and evaluating energy conversion devices. The Janus paper material in the water environment is bent and deformed in a short time, and the curvature reaches 200m after deformation.

【技术实现步骤摘要】
一种具有能量转化效应的形状记忆Janus材料的制备方法
本专利技术属于不对称表面润湿材料制备
，特别涉及制备具有不对称润湿性，不对称溶胀性，形状记忆功能材料的方法。
技术介绍
具有不对称性质的界面在自然界中广泛存在，如荷叶上下表面润湿性的巨大差异，生物细胞膜的选择透过性等等。对自然界这种不对称性的仿生设计往往赋予界面材料许多独特性能，例如流体的定向透过性，选择黏附性等，可应用于流体定向传输，乳液分离，膜蒸馏等领域。溶胀是高分子聚合物在溶剂中体积发生膨胀的过程，该过程相对稳定易于控制，宏观上可用于超吸附材料等，微观上又可用于控制材料表面形貌，微观尺寸，结构网络等。对于宏观上溶胀驱动的形状记忆材料，往往着眼于溶胀终点的设计，这一手段方便高效，稳定性高，可控性强，且成本低廉，在能量转化器件，环境传感器件等领域都具有光明的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简便，环保地制备具有能量转化效应的形状记忆Janus纸片材料的方法。通过利用其稳定的不对称润湿性和溶胀性，控制材料的宏观形变，从而实现了从溶胀势能到机械势能的转变。这一过程可控性强，稳定性高，原料易得，成本低廉，具有较高的实际应用价值。实现本专利技术目的的技术方案是：一种具有能量转化效应的形状记忆Janus材料的制备方法，其步骤如下：A.工作平台的搭建：与水平面成一定角度倾斜固定电吹风机，在其出风口上沿固定镂空的不锈钢网框架，保证不锈钢网垂直于电吹风工作时的气流方向，并使镂空处正对出风口，出风口与镂空处在气流方向上成一定距离；B.Janus纸片的制备：配置一定比例的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液，将定性滤纸裁剪成一定规格，在步骤A中工作平台镂空处用夹子固定清洁的定性滤纸纸片，保持电吹风持续工作，同时滴管汲取预制的聚合物溶液滴到纸片上表面，在重力作用下，聚合物溶液流延至覆盖整个上表面，待上表面聚合物完全固化后，停止电吹风工作，取下纸片，移至60℃干燥箱退火备用，至此完成疏水/超亲水Janus纸片的制备；C.能量转化装置的设计与评估：将步骤B中制备的纸片的一边固定使之垂直悬挂，在下沿处坠挂一定质量的重物，对纸片亲水侧喷水，记录弯曲形变过程和最大形变状态。进一步地，步骤A中，所述电吹风倾斜角度为30°。进一步地，步骤A中，所述出风口与镂空处在气流方向上距离为3cm。进一步地，步骤B中，所述聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺配制比例为1.5g聚偏氟乙烯粉末溶于10mlN,N-二甲基甲酰胺。进一步地，步骤B中，所述定性滤纸纸片裁剪规格为2cm×4cm。进一步地，步骤C中，所述能量转化装置中坠挂重物质量为2.5g。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.工艺简单，原料易得，无毒环保，成本低廉。2.制备的不对称Janus纸片对水灵敏性高，曲率变化从0m-1到200m-1，形变率大。3.在形变和展平循环中显示稳定的形变终点，具备良好的形状记忆功能。4.同时适用于无载荷和载荷条件下的形状记忆，负载条件下实现能量转化最大单位面积功率达3.6×10-3W·m-2。5.机械强度大，使用寿命长。附图说明图1为本专利技术实施例1所得Janus纸片在水中形变前后的光学图片，(a)为形变前，(b)为形变后。图2为本专利技术实施例1所得Janus纸片在形变-展平循环中每次形变后的曲率变化。图3为本专利技术实施例2中对所得的Janus纸片进行弯折，再在水中溶胀形变抵达形变终点的光学图片。(a)为弯折前，(b)为弯向疏水一侧，(c)为带折痕弯折，(d)为S形弯折，(d)为形变终点。图4为本专利技术实施例3中对悬挂的带载荷的Janus纸片喷水，记录其形变过程和形变终点。图5为本专利技术实施例3中悬挂的带载荷的Janus纸片在形变过程中单位面积转化的重力势能以及单位面积能量转化功率。图6为本专利技术实施例3中悬挂的带载荷的Janus纸片在变形-干燥循环中其偏转角的变化。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。实施例1(1)工作平台的搭建：与水平面成30°角度倾斜固定电吹风机，在其出风口上沿固定镂空的不锈钢网框架，保证不锈钢网平面垂直于电吹风工作时的气流方向，并使镂空处正对出风口，出风口与镂空处在气流方向上成3cm距离。(2)Janus纸片的制备：配制聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液(1.5gPVDF溶于10mlDMF)，将定性滤纸裁剪成2cm×4cm规格。在步骤(1)中工作平台镂空处用夹子固定清洁的定性滤纸纸片，保持电吹风持续工作，同时滴管汲取预制的聚合物溶液滴到纸片上表面，在重力作用下，聚合物溶液流延至覆盖整个上表面。待上表面聚合物完全固化后，停止电吹风工作，取下纸片，移至60℃干燥箱退火备用。至此完成疏水/超亲水Janus纸片的制备。(3)无载荷条件下水环境中Janus纸片的形变：将步骤(2)中制备的Janus纸片以超亲水一侧朝下放到水面，记录纸片形变过程，达到最大形变时取出，形变前后光学照片如图1所示，在接触水后，纸片弯向疏水面，形变程度大时且具有明显的轴向，弯曲截面可等效为圆弧，最大曲率达到200m-1。(4)无载荷条件下Janus纸片在形变-展平循环中的形状记忆性：将步骤(3)中形变后的纸片压在100g砝码之下30分钟使纸片恢复平整和干燥，再次置于水面，待达到最大形变时取出测量曲率。形变-展平循环过程重复20次，其曲率变化如图2所示。图2表明该Janus纸片在形变-展平循环中最大形变曲率值维持在相对较窄的范围(197±5m-1)且无明显衰减，显示了其具有稳定的溶胀终点和良好的形状记忆性。实施例2：(1)工作平台的搭建：与水平面成30°角度倾斜固定电吹风机，在其出风口上沿固定镂空的不锈钢网框架，保证不锈钢网平面垂直于电吹风工作时的气流方向，并使镂空处正对出风口，出风口与镂空处在气流方向上成3cm距离。(2)Janus纸片的制备：配制聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液(1.5gPVDF溶于10mlDMF)，将定性滤纸裁剪成2cm×4cm规格。在步骤(1)中工作平台镂空处用夹子固定清洁的定性滤纸纸片，保持电吹风持续工作，同时滴管汲取预制的聚合物溶液滴到纸片上表面，在重力作用下，聚合物溶液流延至覆盖整个上表面。待上表面聚合物完全固化后，停止电吹风工作，取下纸片，移至60℃干燥箱退火备用。至此完成疏水/超亲水Janus纸片的制备。(3)无载荷条件下Janus纸片的形状记忆性：将步骤(2)中制备的Janus纸片弯折成不同形状，包括朝超亲水面弯折，折痕弯折，S形弯折，再置于水面，其最大形变状态如图3所示。图3显示，在溶胀形变之前对纸片进行弯折，纸片仍然可以在形变过程中达到与实施例1中相当的形变程度，显示出良好的形状记忆性。实施例3：(1)工作平台的搭建：与水平面成30°角度倾斜固定电吹风机，在其出风口上沿固定镂空的不锈钢网框架，保证不锈钢网平面垂直于电吹风工作时的气流方向，并使镂空处正对出风口，出风口与镂空处在气流方向上成3cm距离。(2)Janus纸片的制备：配制聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液(1.5gP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有能量转化效应的形状记忆Janus材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：A.工作平台的搭建：与水平面成一定角度倾斜固定电吹风机，在其出风口上沿固定镂空的不锈钢网框架，保证不锈钢网垂直于电吹风工作时的气流方向，并使镂空处正对出风口，出风口与镂空处在气流方向上成一定距离；B.Janus纸片的制备：配置一定比例的聚偏氟乙烯/N,N‑二甲基甲酰胺溶液，将定性滤纸裁剪成一定规格，在步骤A中工作平台镂空处用夹子固定清洁的定性滤纸纸片，保持电吹风持续工作，同时滴管汲取预制的聚合物溶液滴到纸片上表面，在重力作用下，聚合物溶液流延至覆盖整个上表面，待上表面聚合物完全固化后，停止电吹风工作，取下纸片，移至60℃干燥箱退火备用，至此完成疏水/超亲水Janus纸片的制备；C.能量转化装置的设计与评估：将步骤B中制备的纸片的一边固定使之垂直悬挂，在下沿处坠挂一定质量的重物，对纸片亲水侧喷水，记录弯曲形变过程和最大形变状态。

【技术特征摘要】
1.一种具有能量转化效应的形状记忆Janus材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：A.工作平台的搭建：与水平面成一定角度倾斜固定电吹风机，在其出风口上沿固定镂空的不锈钢网框架，保证不锈钢网垂直于电吹风工作时的气流方向，并使镂空处正对出风口，出风口与镂空处在气流方向上成一定距离；B.Janus纸片的制备：配置一定比例的聚偏氟乙烯/N,N-二甲基甲酰胺溶液，将定性滤纸裁剪成一定规格，在步骤A中工作平台镂空处用夹子固定清洁的定性滤纸纸片，保持电吹风持续工作，同时滴管汲取预制的聚合物溶液滴到纸片上表面，在重力作用下，聚合物溶液流延至覆盖整个上表面，待上表面聚合物完全固化后，停止电吹风工作，取下纸片，移至60℃干燥箱退火备用，至此完成疏水/超亲水Janus纸片的制备；C.能量转化装置的设计与评估：将步骤B中制备的纸片的一边固定使之垂直悬挂，在下沿处坠挂一定质量的重物，对纸...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志光，田盼，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42