基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器及其制备方法与流程

本发明涉及刺激响应驱动器技术领域，特别涉及一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器及其制备方法。

背景技术：

材料的智能化是功能性材料的必然发展趋势，也是现代高技术新材料发展的重要方向之一。智能材料通常是指能够对外界刺激，比如光、热、电、ph、湿度等作用下能够发生变化的材料，即，具备对外界环境的感知响应能力的材料。

随着经济和科学的发展，智能材料由简单的外界环境刺激响应转向制备和应用，基于各种材料的刺激响应智能驱动器已经被成功的制备出来，在微型机器人、智能医疗器件、生物传感、智能阀门开关等领域具有重要的应用前景。其中，基于湿度刺激响应的驱动器较为常见，具有重要的仿生意义。自然界中很多生命循环系统对于环境中的湿度刺激会展现出形变，比如，植物种子对于湿度刺激时打开-闭合的现象。

对于制备湿度驱动器的材料而言，可分为天然和人工合成的湿度敏感材料。天然的湿度敏感材料有琼脂、纸张（纳米纤维素）等；合成材料主要有聚电解质、水凝胶、导电聚合物等高分子聚合物，可选种类较多。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

相关技术提供的湿度驱动器制备方法所制备得到的湿度驱动器，不仅极度依赖湿度敏感材料，还对材料结构设计的要求极高方能实现驱动行为；且，湿度驱动器存在制备流程复杂，制备成本较高，较难量产普及的技术问题，且制备得到的湿度驱动器容易存在灵敏性差，响应慢的技术问题。

技术实现要素：

针对相关技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器及其制备方法，该基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的制备方法制备流程较为简洁，制备成本较低，容易量产普及，且，制备得到的湿度驱动器性能较为稳定，灵敏度高，响应速度较快。本发明的技术方案如下：

根据本发明实施例的第一个方面，提供一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的制备方法，所述方法包括：

将预设质量的纳米颗粒或金属盐加至盛有溶剂的容器后，在常温下搅拌至完全溶解，再向所述容器加入聚琥珀酰亚胺，继续搅拌至所述聚琥珀酰亚胺完全溶解，配置得到静电纺丝溶液；

对所述静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜；

将所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置入盛有交联剂溶液的容器内进行交联，然后将交联后的所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置于碱性溶液进行水解，得到处于溶胀状态的聚天冬氨酸纳米纤维膜；

将处于溶胀状态的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜使用去离子水冲洗至中性后，平铺于塑料培养皿内进行消溶胀处理，将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜进行干燥处理后，得到基于聚天冬氨酸纳米纤维膜湿度驱动器。

在一个优选的实施例中，所述纳米颗粒为纳米银、纳米二氧化硅、纳米氧化锌、粘土、氧化石墨烯中的至少一种。

在一个优选的实施例中，所述金属盐为ca、mg、fe、zn、cu、ni金属所生成的盐中的至少一种。

在一个优选的实施例中，所述交联剂溶液为0.05-1.00mol/l的乙二胺溶液。

在一个优选的实施例中，所述碱性溶液为0.1-5mol/l的氢氧化钠溶液。

在一个优选的实施例中，消溶胀处理工序包括：

向平铺于塑料培养皿内的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜滴加甲醇或乙醇进行消溶胀，然后使用滤纸将残留液体滤除。

在一个优选的实施例中，干燥处理工序包括：

将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜置入通风橱中自然风干3-48h；或，

将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜置于40-50℃的烘箱内烘干1-24h。

在一个优选的实施例中，所述溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。

根据本发明实施例的第二个方面，提供一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器，其特征在于，所述湿度驱动器由上述任意所述的基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明提供的幻彩短纤维及其制备方法具有以下优点：

本发明提供的一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器及其制备方法，通过以聚天冬氨酸中间体聚琥珀酰亚胺作为纺丝高聚物，并在静电纺丝溶液中加入纳米颗粒或金属盐进行静电纺丝的方法，制备得到聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜，再经交联水解得到溶胀状态的聚天冬氨酸纳米纤维膜，干燥后聚天冬氨酸纳米纤维膜中的纤维粘结在一起形成基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器，通过简单的制备工序即可高效制备具有良好湿度响应性的湿度驱动器，且制备得到的湿度驱动器具有灵敏度高，响应速度快，性能稳定的技术效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的制备方法的方法流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的驱动实验示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的扫描电镜图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的制备方法的方法流程图，如图1所示，该基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的制备方法包括：

步骤101：将预设质量的纳米颗粒或金属盐加至盛有溶剂的容器后，在常温下搅拌至完全溶解，再向所述容器加入聚琥珀酰亚胺，继续搅拌至所述聚琥珀酰亚胺完全溶解，配置得到静电纺丝溶液。

步骤102：对所述静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜。

步骤103：将所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置入盛有交联剂溶液的容器内进行交联，然后将交联后的所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置于碱性溶液进行水解，得到处于溶胀状态的聚天冬氨酸纳米纤维膜。

步骤104：将处于溶胀状态的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜使用去离子水冲洗至中性后，平铺于塑料培养皿内进行消溶胀处理，将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜进行干燥处理后，得到基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器。

在一个优选的实施例中，所述纳米颗粒为纳米银、纳米二氧化硅、纳米氧化锌、粘土、氧化石墨烯中的至少一种。

在一个优选的实施例中，所述金属盐为ca、mg、fe、zn、cu、ni金属所生成的盐中的至少一种。

在一个优选的实施例中，所述交联剂溶液为0.05-1.00mol/l的乙二胺溶液。

在一个优选的实施例中，所述碱性溶液为0.1-5mol/l的氢氧化钠溶液。

在一个优选的实施例中，消溶胀处理工序包括：

向平铺于塑料培养皿内的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜滴加甲醇或乙醇进行消溶胀，然后使用滤纸将残留液体滤除。

在一个优选的实施例中，干燥处理工序包括：

将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜置入通风橱中自然风干3-48h；或，

将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜置于40-50℃的烘箱内烘干1-24h。

在一个优选的实施例中，所述溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。

需要说明的是，本发明实施例使用的溶剂种类并不限于上述列出的溶剂。

为了更好地说明本发明提供的基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器及其制备方法的有益效果，示出下述实施例1、2进行说明：

实施例1

（1）将ch3cooag加至盛有n,n-二甲基甲酰胺的容器后，在常温下搅拌至ch3cooag完全溶解，再向所述容器加入聚琥珀酰亚胺，继续搅拌至所述聚琥珀酰亚胺完全溶解，配置得到静电纺丝溶液，所述静电纺丝溶液中聚琥珀酰亚胺的质量浓度为30%，ch3cooag的含量为聚琥珀酰亚胺质量的10%。

（2）对所述静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜。

（3）将所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置入盛有0.3mol/l乙二胺溶液的容器内进行交联，然后将交联后的所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置于0.11mol/l的氢氧化钠溶液进行水解，得到处于溶胀状态的聚天冬氨酸纳米纤维膜。

（4）将处于溶胀状态的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜使用去离子水冲洗至中性后平铺于塑料培养皿内，向平铺于塑料培养皿内的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜滴加甲醇进行消溶胀，然后使用滤纸将残留液体滤除，将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜置于40℃的烘箱内烘干1h，然后从培养皿上剥离后，得到基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器。

实施例2

（1）将sio2纳米颗粒加至盛有n,n-二甲基甲酰胺的容器后，在常温下搅拌至sio2纳米颗粒完全溶解，再向所述容器加入聚琥珀酰亚胺，继续搅拌至所述聚琥珀酰亚胺完全溶解，配置得到静电纺丝溶液，所述静电纺丝溶液中聚琥珀酰亚胺的质量浓度为30%，ch3cooag的含量为聚琥珀酰亚胺质量的3%。

（2）对所述静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜。

（3）将所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置入盛有0.5mol/l乙二胺溶液的容器内进行交联，然后将交联后的所述聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜置于0.5mol/l的氢氧化钠溶液进行水解，得到处于溶胀状态的聚天冬氨酸纳米纤维膜。

（4）将处于溶胀状态的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜使用去离子水冲洗至中性后平铺于塑料培养皿内，向平铺于塑料培养皿内的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜滴加甲醇进行消溶胀，然后使用滤纸将残留液体滤除，将消溶胀处理后的所述聚天冬氨酸纳米纤维膜置入通风橱中自然风干12h，然后从培养皿上剥离后，得到基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器。

以实施例1和实施例2的制备原料和制备参数进行多次试验，制备得到基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的各个湿度驱动器进行性能检测可知，本发明提供的基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的灵敏度较高，且制备得到的湿度驱动器的性能较为稳定，对材料结构的要求较低，因此适合进行大批量的生产推广。

将本发明制备得到的基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器置于手掌进行驱动实验，得到的驱动实验示意图如图2所示。在图2中，使用镊子将基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器置于距离手掌10cm处，此时湿度驱动器的状态为a，将处于状态a的该湿度驱动器靠近手掌至0.5cm处2s后，湿度驱动器的状态从a转变为b，将处于状态b的湿度驱动器远离手掌至10cm处2s后，湿度驱动器的状态从b转变为c。由图2可知，湿度驱动器在处于状态b时，驱动器形变程度较大，其驱动行为较为强烈，而在处于状态c时，湿度驱动器的形变状态已然恢复至状态a，显然，湿度驱动器的灵敏度和稳定度均较高。

为了更好地说明本发明提供的基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器，本发明还示出了本发明制备得到的基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器的扫描电镜图，如图3所示。

综上所述，本发明提供的一种基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器及其制备方法，通过以聚天冬氨酸中间体聚琥珀酰亚胺作为纺丝高聚物，并在静电纺丝溶液中加入纳米颗粒或金属盐进行静电纺丝的方法，制备得到聚琥珀酰亚胺纳米纤维膜，再经交联水解得到溶胀状态的聚天冬氨酸纳米纤维膜，干燥后聚天冬氨酸纳米纤维膜中的纤维粘结在一起形成基于聚天冬氨酸纳米纤维膜的湿度驱动器，通过简单的制备工序即可高效制备具有良好湿度响应性的湿度驱动器，且制备得到的湿度驱动器具有灵敏度高，响应速度快，性能稳定的技术效果。

虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明的后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。