离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器、制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及柔性驱动器技术领域，具体来说是一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，包括柔性复合膜，柔性复合膜包括相互固定改性离子交换膜层和聚合物薄膜层，改性离子交换膜层内掺杂有碳纳米材料；该柔性复合膜在光照、施加电压、改变温度或者湿度变化的情况下发生弯曲变形。本申请以离子交换膜溶液、碳纳米材料、聚合物薄膜为原料，以有机溶剂稀释离子交换膜溶液，促进碳纳米材料分散，使碳纳米材料充分地分散在离子交换膜溶液中；制备时仅需将原料简单混合，再经烘干、组装，即可制得多刺激源响应的柔性复合膜，具有制备工艺简单、材料成本低的优点，且能够同时响应光、电、热、湿度和等化学品的多重刺激，应用范围广。应用范围广。应用范围广。

【技术实现步骤摘要】
离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及柔性驱动器
，具体来说是离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]柔性智能驱动器具有质量轻、柔软灵活、环境适应性好等优点，且在光、电、磁、湿度、化学等外界刺激下发生响应，能够广泛应用于柔性机器人、传感器、人工肌肉、智能开关等领域。
[0003]传统的柔性驱动器主要分为光驱动、电驱动和湿度驱动。光驱动器主要是利用材料的光热转化以及热膨胀原理实现机械能转变，如公告号为CN107029565B的中国专利技术专利公开了一种基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜及其制备方法与应用，该种驱动器往往需要强光源才能实现驱动。
[0004]电驱动器主要有电热型(热膨胀)、电子型(电荷极化)和离子型(离子迁移)三种类型，电热驱动器具有相对较低的工作电压，但是工作温度高；电子型驱动器需要千伏级的高压驱动；离子型驱动器工作电压低，但需要相对湿润的工作条件。如公告号为CN 111969883 B的中国专利技术专利公开了一种黑磷碳纳米管复合材料作为非接触式静电响应驱动器的应用，该种驱动器仅能对电驱动激源做出响应。
[0005]湿度驱动往往只能对空气中水分湿度变化的刺激做出响应，响应刺激源单一。目前，公告号为CN109671250A的中国专利技术专利公开了一种多刺激源响应的变形变色纸基纳米复合智能薄膜驱动器、制备方法及应用，该驱动器由纸层、贵金属纳米材料层以及聚合物薄膜层组成，贵金属纳米材料均匀涂覆在纸的单侧表面上形成纸与贵金属纳米材料复合导电层，聚合物薄膜层涂覆在复合导电层的贵金属纳米材料一侧；驱动器在改变温度、湿度以及施加电压情况下发生弯曲变形。但该驱动器不能响应化学品湿度变化的刺激，不利于工业化利用。
[0006]可见，现有技术中的柔性驱动器存在制备工艺复杂、材料成本较高、响应刺激源不够丰富、工业化应用范围受限等缺点。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于如何提供一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，具有制备简单、材料成本低的优点，且能够同时响应光、电、热、湿度和易挥发有机溶剂的多重刺激，应用范围广。
[0008]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0009]本专利技术第一方面提供一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，包括柔性复合膜，所述柔性复合膜包括相互固定的改性离子交换膜层和聚合物薄膜层，所述改性离子交换膜层内掺杂有碳纳米材料；所述柔性复合膜在光照、施加电压、改变温度或者湿度变化的情况下发生弯曲变形。
[0010]有益效果：本专利技术的柔性复合膜包括改性离子交换膜层和聚合物薄膜层，而改性离子交换膜层内掺杂有碳纳米材料，当光照增强时，改性离子交换膜层发生光热转化，以加热聚合物薄膜层使其发生热膨胀，同时改性离子交换膜层受热失水收缩，以此驱动驱动器向改性离子交换膜层一侧弯曲；当光照条件恢复到初始环境下，驱动器的变形可逆，恢复到原来的形状。
[0011]同理，在施加电压的条件下，改性离子交换膜层发生电热转化，以加热聚合物薄膜层使其发生热膨胀，同时改性离子交换膜层受热失水收缩，以此驱动驱动器向改性离子交换膜层一侧弯曲；去除电压后变形消失，驱动器恢复到初始形状。
[0012]在环境湿度增加的情况下，改性离子交换膜层吸湿发生膨胀，此时驱动器向聚合物薄膜层一侧弯曲变形；当环境湿度减小时，驱动器的变形可逆，恢复初始形状；同理，当环境中的易挥发有机溶剂湿度增加时，改性离子交换膜层吸收易挥发有机溶剂蒸汽发生膨胀，导致驱动器向聚合物薄膜层一侧弯曲，而当环境中的易挥发有机溶剂湿度降低时，改性离子交换膜层因乙醇挥发而收缩，驱动器恢复到初始形状。
[0013]本专利技术的驱动器能够同时在光照、施加电压、改变温度或者湿度变化的情况下发生弯曲变形，实现多刺激源的响应，应用范围广；尤其对易挥发有机溶剂等化学品湿度变化的刺激响应效果好，非常适合适用于工业化利用。
[0014]优选的，所述改性离子交换膜层由离子交换膜材料与碳纳米材料混合制备而成，所述离子交换膜溶液为Nafion系列离子交换膜材料、Aciplex系列离子交换膜材料、Flemion系列离子交换膜材料、Aquivion系列离子交换膜材料中的一种或多种组合。
[0015]有益效果：上述离子交换膜材料中均含有大量的亲水性基团，如磺酸、羧酸、磷酸等，对于水、醇具有亲和性和选择性原理，在光照、施加电压、改变温度的条件下，改性离子交换膜层发生光热或电热转化，上述离子交换膜材料因温度进行吸水或失水，使驱动器发生弯曲变形；同理，当环境中的水或易挥发有机溶剂湿度改变时，上述离子交换膜材料直接吸收水或易挥发有机溶剂产生较大的膨胀变形，水或易挥发有机溶剂挥发即可恢复，实现对光、电、热、湿度和易挥发有机溶剂等化学品多重刺激的响应。
[0016]优选的，所述碳纳米材料为单壁碳纳米管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)、石墨烯及其衍生物中的一种或多种组合。
[0017]优选的，所述聚合物薄膜层由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、石蜡中的一种或多种聚合物制备而成。
[0018]有益效果：上述聚合物的线膨胀系数大，易受热膨胀易发生弯曲，降温后形状易恢复，使驱动器具有较好的响应灵敏性；同时价格低廉，降低了材料成本。
[0019]优选的，所述光照的驱动光源包括太阳光、LED灯光、激光、或氙灯产生的模拟太阳光。
[0020]优选的，所述湿度变化的驱动湿度源包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)、N,N
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二甲基乙酰胺(DMAC)。
[0021]有益效果：本专利技术甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)、N,N
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二甲基乙酰胺(DMAC)等均为工业上常见的易挥发有机溶剂，当环境中的这些化学品的湿度增加时，改性离子交换膜易吸收这些化学品并发生膨胀，使驱动器弯曲变形，而当这些化学品挥发后，改性离子交换膜收缩使驱动器恢复到初始形状。因此，以这些驱动源进行湿度
驱动测试，有利于检验本申请驱动器对易挥发有机溶剂等化学品湿度变化的响应性能，以此研究其工业化利用的价值。
[0022]本专利技术二方面提供一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器的制备方法，包括以下具体步骤：
[0023](1)制备改性离子交换膜层：将离子交换膜溶液与有机溶剂、碳纳米材料混合，先经过搅拌初步混合，再通过超声波分散处理使碳纳米材料充分分散均匀，然后将得到的分散液滴铸在衬底上烘干形成改性离子交换膜；
[0024](2)组装柔性复合膜：将步骤(1)得到的改性离子交换膜与聚合物薄膜组合成双层结构，以此形成多刺激源响应的柔性复合膜。
[0025]有益效果：本专利技术以离子交换膜溶液、碳纳米材料、聚合物薄膜为原料，通过有机溶剂稀释离子交换膜溶液，使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，其特征在于：包括柔性复合膜，所述柔性复合膜包括相互固定的改性离子交换膜层和聚合物薄膜层，所述改性离子交换膜层内掺杂有碳纳米材料；所述柔性复合膜在光照、施加电压、改变温度或者湿度变化的情况下发生弯曲变形。2.根据权利要求1所述的一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，其特征在于：所述改性离子交换膜层由离子交换膜材料与碳纳米材料混合制备而成，所述离子交换膜溶液为Nafion系列离子交换膜材料、Aciplex系列离子交换膜材料、Flemion系列离子交换膜材料、Aquivion系列离子交换膜材料中的一种或多种组合。3.根据权利要求1所述的一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，其特征在于：所述碳纳米材料为单壁碳纳米管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)、石墨烯及其衍生物中的一种或多种组合；所述聚合物薄膜层由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、石蜡中的一种或多种聚合物制备而成。4.根据权利要求1所述的一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器，其特征在于：所述湿度变化的驱动湿度源包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)、N,N
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二甲基乙酰胺(DMAC)。5.如权利要求1
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4任一项所述的一种离子交换膜型多刺激源响应柔性驱动器的制备方法，其特征在于：包括以下具体步骤：(1)制备改性离子交换膜层：将离子交换膜溶液与有机溶剂、碳纳米材料混合，搅拌和超声处理使碳纳米材料充分分散均匀，然后将得到的分散液滴铸在衬底上烘干形成改性离子交换膜；(2)组装柔性复合膜：将步骤(1)得到的改性离子交...

【专利技术属性】
技术研发人员：常龙飞，王冬平，王超凡，黄之山，胡颖，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：