一种双层薄膜致动器及其制备方法与流程

本发明属于功能材料和软体机器人应用技术领域，具体涉及一种双层薄膜致动器及其制备方法。

背景技术：

软体机器人是一种新型柔软机器人，其驱动方式主要取决于所使用的智能材料在电场、压力、磁场、化学反应、光、温度、湿度等刺激下实现形变。作为一种有效智能材料，双层薄膜致动器特征为双层结构，依靠两种材料在刺激时产生的形变不同进而完成移动，抓取等动作。其研究难点在于敏感材料的选择和双层结构的设计。

过渡金属氢氧化物由于具备水滑石层状结构，层间水分子的迁入和迁出会导致上下两层板以及层间距发生改变，对湿度敏感度高，因此是一种理想的湿度致动器材料。如果将过渡金属氢氧化物与对湿度不敏感的膜材料进行复合，即可得到薄膜湿度致动器。传统过渡金属氢氧化物制备方法如化学沉淀方法均无法控制在基底上单面沉积，因而无法获得双层结构。而水热法由于温度较高，对于基底的要求较高。有文献报道通过在柔性金属基底(厚度约为1微米)上电沉积制备氢氧化镍/羟基氧化镍(sci.robot.，2018，3,eaat4051)，氢氧化镍钴(acsappl.mater.interfaces2020,12,27,30557–30564)氧化钴/氢氧化钴复合物(adv.mater.tec.2019,4(12),1900746)等薄膜可实现湿度刺激响应。但是该制备方法受限于超薄柔性金属基底的制作工艺和成本，而且无法实现大面积制备，而更换为非金属基底后，无法采用电沉积方法实现过渡金属氧化物的定向生长。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种制备双层薄膜致动器的方法，具体的是一种室温条件下在非导电高分子薄膜基底上，定向生长过渡金属氢氧化物，高分子薄膜基底对湿度不敏感，定向生长的过渡金属氢氧化物对湿度极其敏感，进而形成致动器的双层结构。该方法简单，成本低，适于大面积制备。所得到的复合薄膜具备湿度致动响应，在加热、红外光条件下实现迅速、显著、可恢复的变形能力，通过变形控制可实现移动和抓取物体。

本发明采取的技术方案为：

一种双层薄膜致动器的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将碱性氧化物粉末分散于溶剂中，超声分散得到悬浮液；

(2)将步骤(1)所制悬浮液负载在高分子薄膜基底表面，涂覆量为0.1-10mg/cm²，然后烘干制得复合薄膜；

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入金属离子浓度为0.01-1.0m的过渡金属盐溶液反应0.1-12小时；

(4)将步骤(3)反应后的复合薄膜取出，洗涤并干燥后得到由高分子薄膜和过渡金属氢氧化物层组成的目标双层薄膜致动器。

进一步的，所述步骤(1)中碱性氧化物包括但不限于氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化钡、氧化铝、氧化锌、氧化铜中的一种或多种，溶剂为无水乙醇，浓度为0.1-20mg/ml，超声分散时间为10-120分钟。

进一步的，所述步骤(1)中负载方法包括但不限于真空抽滤、喷涂、刮涂中的一种。

进一步的，所述步骤(2)中高分子薄膜基底包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙稀、聚酰亚胺等常见薄膜中的任意一种，薄膜厚度小于100微米，过渡金属氢氧化物层厚度为0.2-1微米。

进一步的，所述步骤(3)中过渡金属盐包括但不限于过渡金属的卤化物盐、硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、磷酸盐中的一种或多种，过渡金属离子包括但不限于cu²⁺、ni²⁺、co²⁺、fe²⁺、mn²⁺、zn²⁺、fe³⁺、al³⁺中的一种或多种。

进一步的，所述碱性氧化物为氧化镁，过渡金属离子为ni²⁺和fe²⁺，ni²⁺/fe²⁺摩尔比为8：2时，步骤(4)中目标双层薄膜通过刺激条件改变能够抓取氢氧化物自身质量2400倍以上的重物，具有预料不到的技术效果。

进一步的，所述步骤(4)中的目标双层薄膜在湿度降低、加热和红外灯照射条件下，能够快速变形，刺激条件撤销后能够快速恢复，能够应用于柔性开关、人造肌肉、软体机器人、环境监测等领域。

本发明的有益效果为：

本发明通过固态碱自牺牲法在高分子薄膜基底上定向生长一层规则排布的金属氢氧化物，形成高分子薄膜和过渡金属氧化物的双层结构。具体地，本发明首先在高分子薄膜基底表面涂覆碱性氧化物纳米颗粒，然后浸泡到过渡金属混合盐溶液中，在基底表面生长出规则排布的超薄片状过渡金属氢氧化物。本发明方法新颖，所需工艺简单，生产成本低，适合工业大面积生产，且该制备的双层薄膜具有优异的湿度刺激响应和稳定性，可应用于湿度致动软体机器人，环境监测等领域。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)该方法在室温下进行，无需大型设备，节约能源成本,降低生产成本。(2)过渡金属氧化物在基底一面均匀生长，保证了制动器性能的一致性。(3)采用高分子薄膜作为基底，提高了基底材料的柔韧度，降低金属基底弯折性差对变形性能提高的限制，且降低了基底的生产成本，可实现大面积生长。(4)本方法制备的双层薄膜具有湿度致动性能，优异的移动和抓取能力。

附图说明

图1是实施例1中ni/fe摩尔比为8：2时所得大面积双层薄膜的数码照片。

图2是实施例1中ni/fe摩尔比为8：2时所得双层薄膜表面的sem图。

图3是实施例1中ni/fe摩尔比为8：2时所得双层薄膜在红外灯照射条件下的变形照片。

图4是实施例1中ni/fe摩尔比为8：2时所得双层薄膜在红外灯照射下的移动和抓取展示图。

图5是实施例2所得双层薄膜在红外灯照射下的变形照片。

具体实施方式

下面通过实施例和应用例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

(1)将商业氧化镁纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到20mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液刮涂在聚苯乙烯薄膜基底表面，涂覆量为0.05mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入金属离子浓度为0.05m，不同摩尔比(见表1)的溶液中，室温反应时间为1小时。

(4)将步骤(3)中薄膜取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜，并采取红外灯照射来控制环境湿度变化，观察目标薄膜的致动情况。

表1

通过图1数码照片可以清楚的看到面积为5*13cm²的聚苯乙烯膜表面均匀生长出棕黄色物质。

通过图2电镜图可以清楚的看到聚苯乙烯膜表面生长出薄片状氢氧化物。

通过图3双层薄膜在湿度变化下可以看出具有非常敏感的变形能力。

通过图4双层薄膜在红外灯开关过程中可以实现移动和对重物的抓取，移动速度为28厘米每分钟，抓取重物质量为氢氧化物自身质量的2400倍。

实施例2

(1)将商业氧化镁纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到20mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液刮涂在聚苯乙烯薄膜基底表面，涂覆量为0.05mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入乙酸锌溶液中，金属离子浓度为0.05m，室温反应时间为1小时。

(4)将步骤(3)中薄膜取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜，并采取红外灯照射来控制环境湿度变化，观察目标薄膜的致动情况。

由图5可以看出，在该生长条件下，双层薄膜在红外灯作用下具有变形能力。

实施例3

(1)将商业氧化镁纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到5mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液用真空抽滤方法负载在聚苯乙烯微孔薄膜基底表面，涂覆量为0.05mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入硝酸镍溶液中，金属离子浓度为0.05m，室温反应时间为1小时。

(4)将步骤(3)中薄膜取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜，并采取红外灯照射来控制环境湿度变化，观察目标薄膜的致动情况。

实施例4

(1)将商业氧化镁纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到20mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液刮涂在聚丙烯薄膜基底表面，涂覆量为0.2mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入硝酸镍溶液中，金属离子浓度为0.05m，室温反应时间为1小时。

(4)将步骤(3)中电极取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜。

实施例5

(1)将商业氧化镁纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到20mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液刮涂在聚酰亚胺薄膜基底表面，涂覆量为0.2mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入硝酸镍溶液中，金属离子浓度为0.05m，室温反应时间为1小时。

(4)将步骤(3)中薄膜取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜，并采取红外灯照射来控制环境湿度变化，观察目标薄膜的致动情况。

实施例6

(1)将商业氧化镁纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到0.1mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液用真空抽滤方法负载在多孔聚丙烯薄膜基底表面，涂覆量为0.1mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入硝酸镍溶液中，金属离子浓度为0.01m，室温反应时间为1小时。

(4)将步骤(3)中薄膜取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜，并采取红外灯照射来控制环境湿度变化，观察目标薄膜的致动情况。

实施例7

(1)将商业氧化钙纳米颗粒分散于无水乙醇溶剂中，超声分散得到20mg/ml悬浮液。

(2)将步骤(1)所制悬浮溶液抽滤在多孔聚丙烯薄膜基底表面，涂覆量为10mg/cm²，然后在60摄氏度下烘干。

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入硝酸钴和硝酸镍溶液中，ni/co摩尔比为5：5，金属离子浓度为1.0m，室温反应时间为12小时。

(4)将步骤(3)中薄膜取出，洗涤并干燥后得到目标双层薄膜，并采取红外灯照射来控制环境湿度变化，观察目标薄膜的致动情况。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。