一種電致動薄膜材料及其制備和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電致動薄膜材料及其制備和應(yīng)用，電致動薄膜材料為氧化石墨烯/碳納米管薄膜。將碳納米管和表面活性劑加入水中，處理，得到碳納米管懸浮液，真空抽濾，得到碳納米管薄膜；將氧化石墨溶于水中，處理，得到氧化石墨烯溶膠，然后刮涂到碳納米管薄膜上，烘干，重復(fù)刮涂、烘干，即得。本發(fā)明的制備方法簡單快速，可規(guī)模化生產(chǎn)，所獲得的氧化石墨烯/碳納米管薄膜具有迅速、顯著、穩(wěn)定的電致變形性能，在柔性電致動器、機械臂和人造肌肉等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
【專利說明】
一種電致動薄膜材料及其制備和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于電致動材料及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種電致動薄膜材料及其制備和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]致動材料是一種能夠?qū)ν饨绛h(huán)境的刺激如光、熱、電、濕度、磁場、化學(xué)氣氛等做出響應(yīng)的智能材料，由此便可將致動材料分為光致動材料、熱致動材料、電致動材料、磁致動材料、化學(xué)環(huán)境致動材料等。其中電具有清潔無污染、易得、可控的優(yōu)勢，于是電致動材料具有極大的研究價值和應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有的電致動材料有形狀記憶合金、電活性陶瓷材料、離子交換樹脂金屬復(fù)合材料等。但驅(qū)動電壓大、形變量小以及高分子的低化學(xué)穩(wěn)定性等缺陷都在不同程度上限制了這些材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004]碳基材料由其多變可調(diào)的形態(tài)和性質(zhì)受到了科研學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，其具有的一系列優(yōu)良的物理化學(xué)性能掀起了研究熱潮，氧化石墨烯也是其重要的一種衍生物。目前以氧化石墨烯為基礎(chǔ)的光、水汽致動薄膜已有報道，大部分是對氧化石墨烯薄膜進(jìn)行梯度的、非均勻性的設(shè)計，使其對光、水汽等刺激產(chǎn)生不對稱的響應(yīng)而表現(xiàn)出宏觀形變。而全碳的電致動器件由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計、電驅(qū)動控制的復(fù)雜而鮮有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電致動薄膜材料及其制備和應(yīng)用，本發(fā)明的制備方法簡單快速，可規(guī)模化生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的一種電致動薄膜材料，所述電致動薄膜材料為氧化石墨烯/碳納米管薄膜，由氧化石墨烯層和碳納米管層復(fù)合而成。兩層不同的組分之間存在親水性、導(dǎo)電性和膨脹系數(shù)的差異而具有非對稱結(jié)構(gòu)，其中電致動薄膜材料的厚度為2?50μπι。
[0007]本發(fā)明的一種如權(quán)利要求1所述的電致動薄膜材料的制備方法，包括:
[0008](I)將碳納米管和表面活性劑加入水中，處理，得到碳納米管懸浮液，真空抽濾，得到碳納米管薄膜；
[0009](2)將氧化石墨溶于水中，處理，得到氧化石墨烯溶膠，然后刮涂到步驟(I)的碳納米管薄膜上，烘干，重復(fù)刮涂、烘干，即得電致動薄膜材料。
[0010]所述步驟(I)中碳納米管和表面活性劑的質(zhì)量比為1-2:3;碳納米管在懸浮液中的濃度為0.1?10mg/mL。
[0011]所述步驟(I)中表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉和十六烷基三甲基漠化錢等。
[0012]所述步驟(I)中將碳納米管和表面活性劑加入水中，調(diào)節(jié)pH為2?5。
[0013]所述步驟(I)中處理為:細(xì)胞粉碎儀處理，處理時間為1-1Oh。
[0014]所述步驟(I)中真空抽濾為:將碳納米管懸浮液倒入砂芯漏斗中以PVDF膜為濾膜，通過循環(huán)水真空栗進(jìn)行抽濾。
[0015]所述步驟(2)中處理為:細(xì)胞粉碎儀處理，處理時間為2_24h;烘干為:烘箱烘干的溫度為40?80°C ;時間為5?30min。
[ΟΟ??] 所述步驟(2)中氧化石墨稀溶膠的濃度為5?20mg/mL。
[0017]所述步驟(2)中重復(fù)刮涂、烘干的次數(shù)為5?50次。
[0018]所述步驟(I)、(2)中的水均為超純水。
[0019]本發(fā)明的一種電致動薄膜的應(yīng)用，在柔性電致動器、機械臂、人造肌肉領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0020]本發(fā)明通過改變碳納米管懸浮液和氧化石墨烯溶膠的濃度、抽濾碳納米管懸浮液的體積和氧化石墨烯溶膠刮涂的層數(shù)可以實現(xiàn)對電致動氧化石墨烯/碳納米管薄膜厚度的控制。氧化石墨烯層和碳納米管層存在親水性、導(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)等一系列物理化學(xué)性質(zhì)上的差異，導(dǎo)致在對外界刺激如外加電壓而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力梯度，在宏觀上產(chǎn)生致動形變。[0021 ]本發(fā)明電致動薄膜材料具有非對稱結(jié)構(gòu)和迅速、顯著、穩(wěn)定的電致變形性能。
[0022]有益效果
[0023](I)本發(fā)明的制備方法簡單快速，可規(guī)?；a(chǎn)；
[0024](2)本發(fā)明所制備的電致動氧化石墨烯/碳納米管薄膜作為全碳材料器件，極大地減小了不同組分之間存在的界面問題；
[0025](3)本發(fā)明所制備的電致動氧化石墨烯/碳納米管薄膜能在低電壓下驅(qū)動，響應(yīng)快速，形變量大，致動行為明顯，循環(huán)穩(wěn)定性較好，在柔性電致動器、機械臂和人造肌肉等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0026]圖1為實施例1中氧化石墨烯/碳納米管薄膜兩個表面的SEM圖；其中(a)為氧化石墨烯層表面;(b)為碳納米管層表面；
[0027]圖2為實施例1中氧化石墨烯/碳納米管薄膜截面的SEM圖；
[0028]圖3為實施例1中氧化石墨烯/碳納米管薄膜在5V直流電壓下的宏觀致動效果展示圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0030]實施例1
[0031]在室溫下，稱取25mg碳納米管和75mg十二燒基苯磺酸鈉，量取50mL超純水倒入50mL的燒杯中將藥品混合，用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2，攪拌后將裝有混合試劑藥品的玻璃瓶置于冰水浴中用細(xì)胞粉碎儀處理4h使碳納米管分散均勻，得到了碳納米管懸浮液，并取20mL以PVDF膜作濾膜用循環(huán)水真空栗進(jìn)行抽濾并用純水濾洗后得到單壁碳納米管薄膜，用3M膠帶固定放置備用;稱取400mg氧化石墨粉末置于50mL的燒杯中，倒入40mL超純水?dāng)嚢枧涑蓾舛葹镮 Omg/mL的分散液，然后用細(xì)胞粉碎儀在冰水浴中處理I Oh得到濃度為I Omg/mL的氧化石墨烯溶膠40mL，用吸管吸取每次滴3滴氧化石墨烯溶膠在固定好的碳納米管薄膜上，用刮刀刮涂均勻，放入60 0C烘箱中烘干，重復(fù)刮涂烘干20次得到氧化石墨烯/碳納米管薄膜。從圖1可以看出氧化石墨烯層和碳納米管層表面形貌截然不同，碳納米管均勻分布在碳納米管層表面，具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。從圖2薄膜截面的SEM圖中可以得出，該薄膜的厚度為24μπι。圖3為實施例中氧化石墨烯/碳納米管薄膜在5V直流電壓下的宏觀致動效果展示圖，O?8s為薄膜的變形過程，8s以后開始恢復(fù)，40s時完全復(fù)原。該過程中薄膜變形迅速，且整個過程能多次重復(fù)，循環(huán)穩(wěn)定性較好。
[0032]實施例2
[0033]在室溫下，稱取50mg碳納米管和75mg十二燒基苯磺酸鈉，量取50mL超純水倒入50mL的燒杯中將藥品混合，用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2，攪拌后將裝有混合試劑藥品的玻璃瓶置于冰水浴中用細(xì)胞粉碎儀處理4h使碳納米管分散均勻，得到了碳納米管懸浮液，并取20mL以PVDF膜作濾膜用循環(huán)水真空栗進(jìn)行抽濾并用純水濾洗后得到單壁碳納米管薄膜，用3M膠帶固定放置備用;稱取400mg氧化石墨粉末置于50mL的燒杯中，倒入40mL超純水?dāng)嚢枧涑蓾舛葹镮 Omg/mL的分散液，然后用細(xì)胞粉碎儀在冰水浴中處理I Oh得到濃度為I Omg/mL的氧化石墨烯溶膠40mL，用吸管吸取每次滴3滴氧化石墨烯溶膠在固定好的碳納米管薄膜上，用刮刀刮涂均勻，放入60 0C烘箱中烘干，重復(fù)刮涂烘干20次得到氧化石墨烯/碳納米管薄膜。氧化石墨烯/碳納米管薄膜在5V直流電壓下，O?12s為薄膜的變形過程，12s以后開始恢復(fù)，44s時完全復(fù)原。
[0034]實施例3
[0035]在室溫下，稱取25mg碳納米管和75mg十二烷基苯磺酸鈉，量取50mL超純水倒入50mL的燒杯中將藥品混合，用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2，攪拌后將裝有混合試劑藥品的玻璃瓶置于冰水浴中用細(xì)胞粉碎儀處理4h使碳納米管分散均勻，得到了碳納米管懸浮液，并取20mL以PVDF膜作濾膜用循環(huán)水真空栗進(jìn)行抽濾并用純水濾洗后得到單壁碳納米管薄膜，用3M膠帶固定放置備用;稱取400mg氧化石墨粉末置于50mL的燒杯中，倒入40mL超純水?dāng)嚢枧涑蓾舛葹镮 Omg/mL的分散液，然后用細(xì)胞粉碎儀在冰水浴中處理I Oh得到濃度為I Omg/mL的氧化石墨烯溶膠40mL，用吸管吸取每次滴3滴氧化石墨烯溶膠在固定好的碳納米管薄膜上，用刮刀刮涂均勻，放入60 0C烘箱中烘干，重復(fù)刮涂烘干30次得到氧化石墨烯/碳納米管薄膜。氧化石墨烯/碳納米管薄膜在5V直流電壓下，O?9s為薄膜的變形過程，9s以后開始恢復(fù)，42s時完全復(fù)原。
【主權(quán)項】
1.一種電致動薄膜材料，其特征在于:所述電致動薄膜材料為氧化石墨稀/碳納米管薄膜，其中電致動薄膜材料的厚度為2?50μπι。2.一種如權(quán)利要求1所述的電致動薄膜材料的制備方法，包括: (1)將碳納米管和表面活性劑加入水中，處理，得到碳納米管懸浮液，真空抽濾，得到碳納米管薄膜； (2)將氧化石墨溶于水中，處理，得到氧化石墨烯溶膠，然后刮涂到步驟(I)的碳納米管薄膜上，烘干，重復(fù)刮涂、烘干，即得電致動薄膜材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中碳納米管和表面活性劑的質(zhì)量比為1-2:3;碳納米管懸浮液的濃度為0.1?10mg/mL。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中表面活性劑為十二烷基苯磺酸、或十二烷基磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中處理為:細(xì)胞粉碎儀處理，處理時間為1-1Oh。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中真空抽濾為:將碳納米管懸浮液倒入砂芯漏斗中以PVDF膜為濾膜，通過循環(huán)水真空栗進(jìn)行抽濾。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中處理為:細(xì)胞粉碎儀處理，處理時間為2-24h;烘干為:烘箱烘干的溫度為40?80°C ;時間為5?30min。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中氧化石墨稀溶膠的濃度為5?20mg/ mL。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電致動薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中重復(fù)刮涂、烘干的次數(shù)為5?50次。10.一種如權(quán)利要求1所述的電致動薄膜材料的應(yīng)用，其特征在于:在柔性電致動器、機械臂、人造肌肉領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【文檔編號】H01L41/37GK106058038SQ201610651400
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月10日 公開號201610651400.8, CN 106058038 A, CN 106058038A, CN 201610651400, CN-A-106058038, CN106058038 A, CN106058038A, CN201610651400, CN201610651400.8
【發(fā)明人】王宏志, 景暘珉, 時秋偉, 李耀剛, 張青紅, 侯成義
【申請人】東華大學(xué)