一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和应用，本发明专利技术该驱动薄膜由三明治结构组成：驱动层为聚二甲基硅氧烷‑碳纳米管复合物；连接层为硅胶；被动层为极性较强的聚合物薄膜。该驱动性能主要利用了聚二甲基硅氧烷的溶剂/蒸汽响应性和良好的柔性，以及碳纳米管良好的机械性能。驱动层对多种有机溶剂/蒸汽均有响应性。本发明专利技术通过对驱动薄膜表面的结构设计，实现三明治结构薄膜的定向驱动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜及其制备方法和应用
本专利技术属于柔性机器人
，基于高分子/碳纳米管复合物优异的溶剂/蒸汽响应性，实现驱动薄膜的一系列定向运动。
技术介绍
自然界中一些动植物会受到外部环境刺激做出响应，例如含羞草在触碰下的收缩、松果在湿度下的开合、向日葵向阳光的移动以及毛膏菜在激素刺激下的叶片卷曲；水母、叶状仔鳗在外界刺激下的游泳动作等。受到自然界响应机械运动现象的启发，近年来仿生机器人的设计层出不穷。许多学者设计开发了一系列新材料以构造柔性驱动器，该种驱动器可以将外部刺激(光、热、电、磁和溶剂等)转换为机械变形。水凝胶因其优异的柔弹性、吸水性，以及响应性单体的兼容性等优点，使其在柔性驱动材料方面得到了快速发展和广泛应用；碳基纳米材料(例如碳纳米管)因其低成本、易于加工、良好的柔韧性、稳定性、独特的光电性能以及高电导率和热导率，因此成为制备软驱动器的重要材料。虽然聚二甲基硅氧烷和碳纳米管各自在不同领域的应用都很广泛，但基于PDMS/CNTs复合材料在柔性驱动领域的研究尚属空缺。
技术实现思路
本专利技术的主要目的，在于提供一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜。本专利技术所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，包括由驱动层、被动层以及连接驱动层和被动层的连接层组成的三明治结构，其中，所述的驱动层为聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物；被动层为极性较强的聚合物薄膜，包括但不限于聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)等；连接层为聚二甲基硅氧烷。响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致柔性驱动薄膜发生非均匀膨胀，从而引起薄膜宏观形变和定向运动。本专利技术的另一目的，在于提供所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜的使用方法，使薄膜接触响应型有机溶剂/蒸汽，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜引发薄膜响应。本专利技术的再一目的，在于提供一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜在柔性机器人中的应用。本专利技术的再一目的，在于提供一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤一、制备碳纳米管阵列，之后将碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷，制备碳纳米管阵列复合聚二甲基硅氧烷复合膜，对复合膜进行超薄切片，得到碳纳米管阵列复合薄膜；步骤二、利用高压静电纺丝技术制备柔性聚偏二氟乙烯薄膜/聚丙烯腈薄膜/聚乙烯醇薄膜；步骤三、对驱动层和被动层薄膜进行图案化设计，用硅胶(PDMS)将两层薄膜粘合并固化，获得三明治结构的驱动薄膜。本专利技术利用聚合物(PDMS)对多种有机溶剂或蒸汽的快速响应性，掺入碳纳米管垂直阵列，形成具有更高灵敏度和更快驱动速度的高性能响应性复合材料。相较于单层结构，本专利技术中设计的三明治结构能提高驱动的稳定性和灵敏性，实现可控的复杂3D变形(可逆的弯曲、模拟动态的花朵开花闭合过程)、可重复性(抗疲劳性)。本专利技术设计了一种具有三明治结构的柔性驱动薄膜，其中，聚二甲基硅氧烷/碳纳米管复合物为溶剂/蒸汽响应层、聚偏二氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯醇(PVA)电纺聚合物薄膜为被动层，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致其发生非均匀膨胀，从而引起宏观形变和定向运动。与有机软材料相比，碳材料，尤其是碳纳米管(CNTs)和石墨烯及其衍生物，由于其优异的机械性能、良好的柔韧性和稳定性，所以碳材料可以很容易地用其他功能性软物质改性，以形成具有更高灵敏度和更快驱动速度的高性能响应性复合材料；本专利技术还采用高压静电纺丝技术制备聚偏二氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯醇(PVA)薄膜，静电纺丝技术具有制造设备简单，纺丝成本低，纺丝材料种类多，工艺可控等优点，已成为一种有效制备纳米纤维材料的方法。该柔性驱动薄膜对有机溶剂或蒸汽可实现快速响应，其溶胀比也得到进一步提高，并显示出较大的弯曲角度且在溶剂挥发后恢复其初始形状。本专利技术系统机理图参考附图1。本专利技术的有益效果1.本专利技术根据聚合物-溶剂的相似相溶原理，选择有机溶剂(优选为正己烷)作为刺激源，使聚二甲基硅氧烷薄膜发生快速响应(响应速度为<0.1ms)且充分的溶胀变形。2.本专利技术中由于碳纳米管和聚合物的界面容易被溶剂填充溶胀，故与纯聚二甲基硅氧烷薄膜相比，碳纳米管复合物薄膜(PDMS/CNTs)的响应性更加剧烈。3.本专利技术中驱动薄膜采用三明治结构，驱动层为具有剧烈响应性的PDMS/CNTs复合物薄膜，被动层为柔性好的聚偏二氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯醇(PVA)静电纺丝薄膜，有效的提高了驱动薄膜的柔韧性。4.本专利技术中为了解决双层膜结构界面易发生脱离分层的问题，利用硅胶(PDMS)作为粘结层，使三明治结构膜重复驱动后仍具有较好的机械性能。附图说明图1为溶胀机理图及三明治结构薄膜弯曲实物图图2为碳膜实物图、PVDF膜实物图图3为三明治结构花状薄膜的驱动图4为三明治结构手状驱动薄膜模拟人的不同手势，如OK、耶和棒等图5为正己烷蒸汽驱动三明治结构长条状薄膜具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明。在本专利技术较佳实施例中，所述聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物为碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化形成。在本专利技术较佳实施例中，所述的响应型有机溶剂/蒸汽包括正(正)己烷、环己烷、(正)戊烷、三氯甲烷、二氯甲烷、二异丙胺、(正)庚烷、三乙胺、乙醚、三氯乙烯、乙二醇二甲醚、二甲苯、叔丁醇、甲苯、笨、乙酸乙酯、四氢呋喃和氯苯等中的至少一种。其中，优选为正己烷。在本专利技术较佳实施例中，所述的碳纳米管为管径60-100nm、高结晶度IG/D≈2-3、密度0.1-0.2g/cm3、高度20～1000μm的碳纳米管阵列。在本专利技术较佳实施例中，作为连接层的硅胶，为聚二甲基硅氧烷。在本专利技术较佳实施例中，聚二甲基硅氧烷A、B组分以10:1的比例混合均匀作为硅胶使用。在本专利技术较佳实施例中，所述的被动层电纺聚合物薄膜包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)。其中，优选为聚偏二氟乙烯(PVDF)。1.PDMS/CNTs复合膜制备：以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列。聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴入碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底表面，用超薄切片机对薄膜进行切片，得到碳纳米管阵列复合薄膜，实物图如附图2(a)。2.柔性聚偏二氟乙烯薄膜制备：将聚偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：包括由驱动层、被动层以及连接驱动层和被动层的连接层组成的三明治结构，其中，所述的驱动层为聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物；被动层为极性较强的聚合物薄膜，所述的极性较强的聚合物薄膜包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙烯醇(PVA)；连接层为硅胶，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致柔性驱动薄膜发生非均匀膨胀，从而引起薄膜宏观形变和定向运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：包括由驱动层、被动层以及连接驱动层和被动层的连接层组成的三明治结构，其中，所述的驱动层为聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物；被动层为极性较强的聚合物薄膜，所述的极性较强的聚合物薄膜包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙烯醇(PVA)；连接层为硅胶，响应型有机溶剂/蒸汽扩散到薄膜中导致柔性驱动薄膜发生非均匀膨胀，从而引起薄膜宏观形变和定向运动。


2.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷-碳纳米管(PDMS/CNTs)复合物为碳纳米管阵列浸润聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化形成。


3.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述的响应型有机溶剂/蒸汽包括正己烷、环己烷、正戊烷、三氯甲烷和、二氯甲烷、二异丙胺、正庚烷、三乙胺、乙醚、三氯乙烯、乙二醇二甲醚、二甲苯、叔丁醇、甲苯、笨、乙酸乙酯、四氢呋喃和氯苯中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的一种基于液体/蒸汽响应的柔性驱动薄膜，其特征在于：所述的碳纳米管为管径60-100nm、高结晶度IG/D≈2-3、密度0.1-0.2g/cm3、高度20～1000μm的碳纳米管阵列。


5.根据权利要求4所述的一种基于液...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯旭，邓文燕，王苗，周磊，何文，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35