一种金属有机框架增强的微纳纤维膜基致动器及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种金属有机框架增强的微纳纤维膜基致动器及其制备和应用。该致动器包括活性层，所述活性层为金属有机框架基微纳纤维膜。该致动器的制备方法包括：将金属有机框架、聚合物和溶剂混合，搅拌，得到纺丝液，纺丝得到金属有机框架基微纳纤维膜，将金属有机框架基微纳纤维膜直接作为致动器，或者将金属有机框架基微纳纤维膜与惰性层叠加组合得到致动器。该致动器通过引入金属有机框架到纤维内部或表面，构建含微纳多孔结构及分子级扩散通道的多级结构柔性微纳纤维薄膜，有效提升客体分子的吸纳/扩散/释放速率，从而增强致动器的响应性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种金属有机框架增强的微纳纤维膜基致动器及其制备和应用


[0001]本专利技术属于致动器
，特别涉及一种金属有机框架增强的微纳纤维膜基致动器及其制备和应用。

技术介绍

[0002]随着电子信息技术的发展和多重应用需求的增加，对环境刺激具有响应行为的材料应运而生并逐渐向智能化、柔性可穿戴以及多功能集成化方向发展。柔性致动器作为该领域的重要分支，需要对外界环境刺激产生快速响应，同时还需具备大尺度弯曲形变能力和优异的循环稳定性等。这类器件在智能开关、人工肌肉以及软体机器人等领域有着广泛应用需求与前景。目前，旋涂法和溶液浇铸法等是制备柔性致动器的常见方法，因其操作简单、易于控制等优点被广泛研究和采用。然而，现有加工方法和活性材料组会受限于驱动器结构的有效设计和精确调控，难以实现器件的高响应性和高稳定性，限制了致动器的有效应用。
[0003]针对上述研究，虽然常规加工方法具有操作简单、成型效率高等优势，所制备的致密膜材料在一定程度可实现器件的致动行为及可重复性，但是，致密结构膜，难以兼顾外界刺激作用下的快速响应和大驱动形变需求，限制了致动器的实用性。由此，考虑选择合适的加工工艺以及响应性材料来实现兼顾驱动器的快速响应、大形变和稳定回复性是推动这一领域进一步发展的重要策略。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种金属有机框架增强的微纳纤维膜基致动器及其制备和应用，以克服现有技术中致动器不能兼具快速响应、大形变和稳定回复性的缺陷。
[0005]本专利技术提供一种致动器，所述致动器包括活性层，所述活性层为金属有机框架基微纳纤维膜。
[0006]优选地，所述金属有机框架基微纳纤维膜中金属有机框架全部或部分嵌入在聚合物纤维中，或分布于纤维网络间。
[0007]优选地，所述金属有机框架包括呼吸型金属有机框架材料，进一步优选地所述金属有机框架包括CAU
‑
10
‑
H、MIL
‑
47、MIL
‑
53、MIL
‑
88、MIL
‑
101、MUV
‑
2、SHF
‑
61、SHF
‑
62、SHF
‑
81、ZIF
‑
8,、ZIF
‑
67、UIO
‑
66以及它们的改性物中的一种或几种，更优选地，所述金属有机框架为MIL
‑
88或其改性物(例如MIL
‑
88A)。作为一种呼吸型金属有机框架，除展现出基础特性如高比表面积、高孔隙率和孔容量外，MIL
‑
88A能在保持自身结晶结构的前提下，在外部刺激作用下产生框架的可逆膨胀与收缩或孔道的可逆开放与关闭行为。通常，源自于外部刺激的客体分子通过扩散作用进入到MIL
‑
88A的孔道中，客体分子和有机框架之间易产生氢键并改变其晶格参数，引起孔道体积增加。该MIL
‑
88A作为填料负载到复合微纳纤维膜中，
可构筑具有宏观多孔结构和微观分子级通道的多级结构活性材料，表现出高空隙率、高比表面积、及丰富的分子/离子级扩散通道，可有效放大或加速客体分子的吸入/释放行为。基于该复合微纳纤维膜活性层的致动器，可实现器件增强的环境刺激响应性和驱动性能。
[0008]更优选地，所述MIL
‑
88A是由六水合氯化铁及富马酸为原料在溶剂中制备得到，其中六水合氯化铁及富马酸的摩尔比为1:1～1:5，溶剂包括去离子水，无水甲醇，无水乙醇，N，N二甲基甲酰胺中的一种或几种。
[0009]优选地，所述聚合物纤维组分包括纤维素，乙基纤维素，羟甲基纤维素，羟乙基纤维素，醋酸纤维素，硝化纤维素，磺化纤维素，丝蛋白，壳聚糖，海藻酸钠，聚酯，聚氨酯，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，聚丙烯酸，聚环氧乙烯，聚丙烯腈，聚乳酸，聚乙烯醇缩丁醛，对苯乙烯
‑
异戊二烯，聚偏氟乙烯及它们改性物中的一种或几种；进一步优选地，所述聚合物纤维组分包括聚乙烯比咯烷酮和聚丙烯酸。
[0010]优选地，所述致动器还包括惰性层。
[0011]优选地，所述惰性层材料包括聚酰亚胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、硅油纸、纤维素基胶带、导电布中的一种或几种。
[0012]优选地，所述惰性层材料形态包括致密薄膜、多孔薄膜、纤维膜或织物材料。
[0013]优选地，所述惰性层与活性层厚度比例为10:1～1:10。
[0014]优选地，所述致动器为单层，双层或多层结构。
[0015]本专利技术还提供一种致动器的制备方法，包括：
[0016]将金属有机框架、聚合物和溶剂混合，搅拌，得到纺丝液，进行纺丝，得到金属有机框架基微纳纤维膜，将金属有机框架基微纳纤维膜直接作为致动器，或者将金属有机框架基微纳纤维膜与惰性层组合，得到致动器。
[0017]优选地，所述溶剂包括去离子水，无水甲醇，无水乙醇，丙酮，异丙醇，乙醚，二氯甲烷，四氢呋喃、氯仿、N，N
‑
二甲基甲酰胺，二氯亚砜中的一种或几种；进一步优选地，所述溶剂包括无水乙醇和/或N，N
‑
二甲基甲酰胺。
[0018]优选地，所述纺丝液中聚合物浓度为1wt％～50wt％。
[0019]优选地，金属有机框架和聚合物的质量比为10:1～1:500。
[0020]优选地，所述搅拌温度为20～100℃，搅拌时间为2～24小时。
[0021]优选地，所述纺丝前纺丝液进行超声分散并脱泡处理，其中超声分散时间为5～120分钟，脱泡时间为5～120分钟。
[0022]优选地，所述纺丝包括静电纺丝，湿法纺丝，微流控纺丝，熔融纺丝或气泡纺丝。
[0023]优选地，所述叠加组合的方式包括直接沉积法、使用粘合剂粘合或胶带粘贴。
[0024]本专利技术还提供一种上述的致动器在信息、能源、医疗或智能响应领域的应用。
[0025]优选地，所述信息领域的应用包括传感或信息交互设备。
[0026]优选地，所述能源领域的应用包括能量收集或能量管理设备。
[0027]优选地，所述医疗领域的应用包括柔性或可穿戴医疗设备。
[0028]优选地，所述智能响应领域的应用包括人工肌肉、软机器人或人机交互领域的应用。
[0029]本专利技术通过调控金属有机框架材料的含量和微纳纤维膜的微结构，可获得活性纤维膜并调控其环境刺激响应性能；借助活性层和相对惰性层组装驱动器，通过调控器件中
惰性层与活性层的比例/厚度等，可实现柔性致动器将外界刺激产生的物理能或化学能转化为机械能的效果，实现器件的高效响应行为。
[0030]本专利技术通过引入具有高比表面积和高孔隙率的金属有机框架到纤维内部或表面，构建含微纳多孔结构及分子级扩散通道的多级结构柔性复合薄膜，有效提升客体分子的吸纳/扩散/释放速率，从而增强致动器的响应性能。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种致动器，其特征在于，所述致动器包括活性层，所述活性层为金属有机框架基微纳纤维膜。2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述金属有机框架基微纳纤维膜中金属有机框架材料全部或部分嵌入在聚合物纤维中、或分布于纤维网络间。3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述金属有机框架包括CAU
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10
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H、MIL
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47、MIL
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53、MIL
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88、MIL
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101、MUV
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2、SHF
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61、SHF
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62、SHF
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81、ZIF
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8,、ZIF
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67、UIO
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66以及它们的改性物中的一种或几种；聚合物纤维组分包括纤维素，乙基纤维素，羟甲基纤维素，羟乙基纤维素，醋酸纤维素，硝化纤维素，磺化纤维素，丝蛋白，壳聚糖，海藻酸钠，聚酯，聚氨酯，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，聚丙烯酸，聚环氧乙烯，聚丙烯腈，聚乳酸，聚乙烯醇缩丁醛，对苯乙烯
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异戊二烯，聚偏氟乙烯及它们改性物中...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊佳庆，周佳慧，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：