【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于致动器，尤其涉及一种湿度响应致动器及其制备方法与应用。
技术介绍
1、刺激响应致动器是一类在受到外界环境因素刺激而发生可逆形态变化的器件，在环境监测、医疗诊断、人工肌肉、软机器人等领域具有广阔的应用前景。其刺激源包括光、电、磁、温度，以及湿度和各种气体分子等。其中湿度响应致动器是由空气中湿度，即水分子的运动变化来驱动的，其刺激源广泛存在，具有极大的应用潜力，因此被特别关注。
2、湿度响应的灵感来自于植物运动。植物不具有肌肉骨骼的结构，因此绝大部分不能运动，但有部分植物具有特殊的双层结构，并且配合植物细胞的湿膨胀特性，能完成一些有目的性的简单运动。例如，捕蝇草捕捉昆虫、含羞草闭合叶片、松果释放种子等。以松果为例，晴天时，气候干燥，松果鳞片会打开，快下雨时，空气中湿度上升，鳞片会闭合；当成熟时鳞片会自动脱水打开从而传播种子。松果种子被鳞片严密的包裹起来，鳞片分为纤维层和硬膜两层，其中，硬膜层的吸湿膨胀系数远高于纤维层，因此吸湿后两层应变失配，发生变形，以达到特定运动的目的。
3、常规的薄膜型湿度致动器，其活性层为浇铸薄膜，水分子难以进入材料内部，湿度驱动的响应速率较慢。并且其各向同性的性质，使其无法控制湿度驱动时的变形方向。而如果要控制浇铸薄膜型致动器的变形方式，需要把惰性层通过掩膜的方式，使其按照特定图案生成在活性层上，这极大地增加了操作难度。因此，如何简易地制备一种快速响应且可预编程变形方式的致动器是非常重要的。
技术实现思路
1、为解决上述技
2、本专利技术的第一个目的是提供一种湿度响应致动器，所述湿度响应致动器为双层薄膜结构，包括湿度响应活性层和湿度响应惰性层；所述湿度响应活性层是通过静电纺丝技术将亲水性高分子材料制成纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有取向结构；所述湿度响应惰性层是非亲水性高分子薄膜胶带。
3、在本专利技术的一个实施例中，所述取向结构是指纳米纤维膜中纤维的轴向分布趋向于同一方向；当纳米纤维膜中纤维取向的角度标准差较小时取向程度较高，当纳米纤维膜中纤维取向的角度标准差较大时取向程度较低。
4、在本专利技术的一个实施例中，所述纳米纤维膜的纤维取向与所述湿度响应致动器的长度方向之间形成的夹角为0°-90°。
5、进一步地，当夹角为0°时，所述湿度响应致动器沿长度方向卷曲；当夹角为90°时，所述湿度响应致动器沿宽度方向卷曲；当夹角为其他任意角时，则以螺旋卷曲形式运动，并可调控角度来控制螺旋扭曲的螺距，实现湿度响应致动器的可控变形和编程。
6、在本专利技术的一个实施例中，所述纳米纤维膜中纤维取向的角度标准差为5°-25°。
7、在本专利技术的一个实施例中，根据湿度响应活性层中纳米纤维的取向进行裁剪可以得到可控变形的湿度响应致动器。
8、在本专利技术的一个实施例中，所述亲水性高分子材料选自聚氧化乙烯(peo)、聚乙二醇(peg)、聚乙烯醇(pva)和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)中的一种或多种；在本专利技术的一个实施例中，所述非亲水性高分子薄膜胶带选自聚酰亚胺(pi)胶带、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)胶带或聚丙烯(pp)胶带。
9、在本专利技术的一个实施例中，所述湿度响应活性层的厚度为24μm-82μm，通过静电纺丝的时间来控制；所述湿度响应惰性层的厚度为30μm-40μm。
10、本专利技术的第二个目的是提供一种所述的湿度响应致动器的制备方法，包括以下步骤：
11、s1、将亲水性高分子材料溶于溶剂，得到纺丝液；
12、s2、对s1所述的纺丝液进行静电纺丝，制备的纳米纤维膜经干燥得到湿度响应活性层；
13、s3、在s2所述的湿度响应活性层贴合湿度响应惰性层，得到所述的湿度响应致动器。
14、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述纺丝液的浓度为4wt％-8wt％。
15、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述溶剂选自水、乙醇、甲醇、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。
16、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述静电纺丝的工艺参数为：纺丝电压为16kv-20kv，接收距离为22cm-28cm，微量泵推速为0.7ml/h-1.0ml/h，接收装置转速为800r/min-1500r/min。
17、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述干燥的温度为35℃-50℃，时间为5h-12h。
18、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述湿度响应致动器的制备具体包括以下步骤：将湿度响应惰性层带有黏合剂的一侧与所述湿度响应活性层进行贴合、辊压得到所述的湿度响应致动器。
19、本专利技术的第三个目的是提供一种所述的湿度响应致动器在智能响应中的应用。
20、本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：
21、(1)本专利技术所述的制备方法采用静电纺丝技术制备具有取向结构的湿度响应活性层，大大增加了湿度响应活性层湿交换材料的比表面积和孔隙结构，使水分子进出效率更高，与传统浇铸膜致动器相比，对湿度变化的响应更灵敏。
22、(2)本专利技术所述的制备方法通过提高纺丝收集装置转速，制备具有取向结构的纳米纤维膜，并以此作为湿度响应活性层。当纤维材料吸收水分子发生膨胀或释放水分子发生收缩，在纤维轴向上由于纤维材料的连续性，膨胀或收缩产生的应力能够连续传递，而在纤维径向方向上，纤维自身能够膨胀，但是纤维与纤维之间并非完全接触，只有少部分接触点，膨胀很难连续传递并积累。因此，区别于普通纳米纤维膜的各向同性，具有取向结构的纳米纤维膜只沿取向方向能够传递形变，湿度响应致动器的应变失配只发生在纤维取向方向。这使得湿度响应活性层响应应力更加集中，湿度响应致动器的响应形变程度更大，致动性能更优。
23、(3)本专利技术所述的湿度响应致动器由于纤维的取向结构，湿度响应致动器的形变只发生在纤维取向方向，因此可以通过设计纤维取向方向与湿度响应致动器的形状方向的相对变化，实现湿度响应致动器变形方式的设计和编程。
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1.一种湿度响应致动器，其特征在于，所述湿度响应致动器为双层薄膜结构，包括湿度响应活性层和湿度响应惰性层；所述湿度响应活性层是通过静电纺丝技术将亲水性高分子材料制成纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有取向结构；所述湿度响应惰性层是非亲水性高分子薄膜胶带。
2.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述纳米纤维膜的纤维取向与所述湿度响应致动器的长度方向之间形成的夹角为0°-90°。
3.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述纳米纤维膜中纤维取向的角度标准差为5°-25°。
4.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述亲水性高分子材料选自聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；所述非亲水性高分子薄膜胶带选自聚酰亚胺胶带、聚对苯二甲酸乙二酯胶带或聚丙烯胶带。
5.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述湿度响应活性层的厚度为24μm-82μm；所述湿度响应惰性层的厚度为30μm-40μm。
6.一种权利要求1-5任一项所述的湿度响应致动器的制备方法，其特征在于，包
7.根据权利要求6所述的湿度响应致动器的制备方法，其特征在于，在S1中，所述纺丝液的浓度为4wt％-8wt％。
8.根据权利要求6所述的湿度响应致动器的制备方法，其特征在于，在S2中，所述静电纺丝的工艺参数为：纺丝电压为16kV-20kV，接收距离为22cm-28cm，微量泵推速为0.7mL/h-1.0mL/h，接收装置转速为800r/min-1500r/min。
9.根据权利要求6所述的湿度响应致动器的制备方法，其特征在于，在S2中，所述干燥的温度为35℃-50℃，时间为5h-12h。
10.一种权利要求1-5任一项所述的湿度响应致动器在智能响应中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种湿度响应致动器，其特征在于，所述湿度响应致动器为双层薄膜结构，包括湿度响应活性层和湿度响应惰性层；所述湿度响应活性层是通过静电纺丝技术将亲水性高分子材料制成纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有取向结构；所述湿度响应惰性层是非亲水性高分子薄膜胶带。
2.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述纳米纤维膜的纤维取向与所述湿度响应致动器的长度方向之间形成的夹角为0°-90°。
3.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述纳米纤维膜中纤维取向的角度标准差为5°-25°。
4.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在于，所述亲水性高分子材料选自聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；所述非亲水性高分子薄膜胶带选自聚酰亚胺胶带、聚对苯二甲酸乙二酯胶带或聚丙烯胶带。
5.根据权利要求1所述的湿度响应致动器，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：张德锁，华祎阳，沈雅欣茹，王梦萱，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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