本发明属于智能材料制备技术领域，具体涉及一种同时具备湿度、热、电的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜、制备方法及应用。
背景技术：
近年来，随着智能器件与智能设备的不断发展，使得智能材料的研究开发与应用越来越受到人们的广泛关注，如记忆合金、纳米发电机以及仿生器件等。其中有一类材料，可以在特定的环境刺激下，发生形变、色变等一系列响应驱动行为，即智能响应驱动材料。一般情况下，这类材料由具有不同性质的双层或多层结构组成，或材料中包含具有特定刺激响应性能的分子或官能团。在一定外界刺激下，材料各层发生不同变化，或内部分子结构发生变化，使得材料产生一定的响应驱动行为。
陈涛等(taochen,jianghe,highlyeffcientactuatorofgraphene/polydopamineuniformcompositethinfilmdrivenbymoisturegradients,adv.mater.interfaces2016,1600169)通过多巴胺-氧化石墨烯氧化还原聚合物成膜制备了一种对湿度具有响应驱动的的复合薄膜。佟振等(zhentong，jiahehuang，nirtriggeredrapidshapememorypam-gogelatinhydrogelswithhighmechanicalstrength,acsappl.mater.interfaces,2016,8(19),12384)制备了一种氧化石墨烯-聚甲基丙烯酰胺复合凝胶，该凝胶在红外光刺激下会发生一定量的形变。sitti等(mortezaamjadi,metinsitti,high-performancemultiresponsivepaperactuators,acsnano,2016,10(11),10202)通过多步喷涂发制备了一种同时具备电，湿度和光三重相应的多层薄膜，可应用于智能机器人领域。
尽管在智能方面的研究取得了诸多进展，现有的大部分研究只是针对单一的响应驱动性能进行研究，或者在材料制备过程中，存在工艺比较复杂，材料环境稳定性不高，易发生分层等的问题。因此开发具有多重刺激响应性能，且制备工艺简单，稳定性能优异的智能驱动材料很有必要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具备多重环境响应驱动性能的智能氧化石墨烯薄膜材料，并为其提供一种制备方法和应用。原料简单易得，制备工艺简单，设备无特殊要求，所制备材料性能优异。
一种多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜，所述多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜为还原氧化石墨稀/氧化石墨烯复合结构，还原氧化石墨烯与氧化石墨烯为一体化的结构，具备湿度、热、电三重响应驱动性能。
进一步的，所述的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜在不同的湿度、温度、电压及不同强度的红外光作用下，会有不同程度的弯曲，弯曲角度在30～720度之间。
本发明还提供了多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将氧化石墨烯粉体与水混合，经超声分散制备氧化石墨烯分散液，然后经真空抽滤制备氧化石墨烯薄膜；
步骤二、将氧化石墨烯薄膜连同滤膜同时固定在基底上，滤膜在下氧化石墨烯薄膜在上，置于密闭容器之中，加入氢碘酸于90℃条件下进行梯度还原，还原结束后将氧化石墨烯薄膜从滤膜上揭下。
更进一步的方案是：
将氧化石墨烯粉体与水混合之后，剧烈搅拌使其湿润，利用高速剪切机剪切分散5min，在剪切完毕后超声分散，超声分散数小时至无明显沉淀。
更进一步的方案是：
步骤二中，基底为倒扣的玻璃培养皿，密闭容器为经密封处理的烧杯。
更进一步的方案是：
所述的滤膜为醋酸纤维素类水系滤膜，该类滤膜对氢碘酸蒸汽有一定的耐受性，且同时具备过滤及掩膜版两种功能。
更进一步的方案是：
用于真空抽滤的氧化石墨烯分散液浓度为1～10毫克/毫升。
更进一步的方案是：
还原过程中氢碘酸质量浓度为35％～55％，还原时间为3～12小时。
更进一步的方案是：
所用的制备氧化石墨烯薄膜的石墨烯分散液体积为3～20毫升。步骤1中，抽滤制得的氧化石墨烯薄膜厚度为1～12微米。步骤2中，制得的驱动响应薄膜厚度为2～20微米。
本发明还提供了多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的应用，具体是应用于智能机器人，人造皮肤和可穿戴材料领域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所提供的响应驱动智能石墨烯薄膜的制备方法，在制备过程中，制备工艺温度都在室温或100℃以下，无需高压或惰性气体保护，条件温和可控，制备工艺简单。
(2)现有的响应驱动薄膜大都采用两步法制备，所制备的材料难以解决上下两层之间的结合力问题。而本发明制备的薄膜可以很好的解决这一问题，所制得的材料具备优异的环境稳定性。
附图说明
图1是实施例2中还原前后石墨烯薄膜的扫描电镜照片(a为还原前go，b为还原后正面rgo，c为还原后反面go，d为还原前截面，e为还原后截面)。
图2是实施例2中所制备石墨烯薄膜的上下两面的水接触角(a为正面rgo,b为反面go)。
图3是实施例2中所制备石墨烯薄膜的上下两面的拉曼光谱图。
图4是实施例2中所制备石墨烯薄膜的上下两面的x射线光电子能谱图(a为正面rgo,b为反面go)。
图5是实施例2中所制备石墨烯薄膜不同湿度下弯曲角度变化过程。
图6是实施例2中所制备石墨烯薄膜不同温度下弯曲角度变化过程。
图7是实施例2中所制备石墨烯薄膜通电前后弯曲角度变化过程。
图8是本发明多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明保护的范围不限于这些实施例。
实施例1
以膨胀石墨为原料，通过改性hummers法制备氧化石墨烯。膨胀石墨(5g)、浓硫酸(300ml)、五氧化二磷(6.2g)及过硫酸钾(4.2g)依次加入500ml三口烧瓶中，于80℃反应5小时，冷却加水稀释，水洗抽滤烘干得预氧化膨胀石墨。将上述预氧化膨胀石墨加入500ml三口烧瓶中，加入200ml浓硫酸，于冰浴条件下缓慢加入15g高锰酸钾，冰浴条件下继续搅拌一个小时。待混合物呈现墨绿色时升温至35℃，继续反应2.5小时。反应结束后冷却至室温，将反应液倒入1600ml去离子水中，待温度降至室温后加入适量30％双氧水至混合液呈亮黄色。静置过夜，倾倒上层清液，超声2小时，再加入50ml2mol/l盐酸溶液洗涤一次。之后用大量去离子水洗涤至较弱酸性，再将混合物进行透析，透析完成后冷冻干燥即得氧化石墨烯粉体。
实施例2
称取100mg的氧化石墨烯粉末与100ml去离子水混合，剧烈搅拌使其润湿。然后利用高速剪切机剪切分散5分钟，剪切完毕置于超声波清洗仪中超声分散2小时至无明显沉淀。用注射器量取5ml的氧化石墨烯分散液注入抽滤漏斗中，持续抽滤直至无明显液体存在，将滤膜取下自然晾干备用。将上述晾干待用的滤膜固定在倒扣的玻璃培养皿上，将培养品置于合适大小的烧杯中，沿烧杯壁加入2.5ml的45％氢碘酸并对烧杯做密封处理。之后将烧杯置于90℃条件下还原反应9小时。反应结束后，烧杯凉至室温取下滤膜并将上层薄膜小心揭下即得智能响应驱动薄膜。
通过x射线光电子能谱(xps)、水接触角、拉曼光谱、扫面电镜对还原前后的前后的氧化石墨烯薄膜进行材料表征，其结果见附图1～4。在不同湿度下测定所制备材料的响应驱动性能，其结果见附图5～7。
实施例3
称取500mg的氧化石墨烯粉末与100ml去离子水混合，剧烈搅拌使其润湿。然后利用高速剪切机剪切分散5分钟，剪切完毕置于超声波清洗仪中超声分散3小时至无明显沉淀。用注射器量取3ml的氧化石墨烯分散液注入抽滤漏斗中，持续抽滤直至无明显液体存在，将滤膜取下自然晾干备用。将上述晾干待用的滤膜固定在倒扣的玻璃培养皿上，将培养品置于合适大小的烧杯中，沿烧杯壁加入4.0ml的35％氢碘酸并对烧杯做密封处理。之后将烧杯置于90℃条件下还原反应6小时。反应结束后，烧杯凉至室温取下滤膜并将上层薄膜小心揭下即得智能响应驱动薄膜。
本发明制备得到的多重环境响应驱动氧化石墨烯薄膜的结构如附图8所示。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。