一种光热致动薄膜及其制备方法和用途

1.本发明涉及智能驱动材料领域，特别是一种光热致动薄膜及其制备方法和用途。


背景技术：

2.光致动薄膜是指能将光能转换为机械能的薄膜，由于光能的可再生性，并且光致动薄膜可以实现区域驱动变形不影响整个薄膜其余部分的状态，此外通过调整光源的波长、光强等参数，也可以实现对光致动薄膜驱动行为的精确控制，所以光致动薄膜受到越来越多的关注，广泛应用在柔性机器人，仿生系统等领域。
3.文献号为cn201920354183.5的中国专利公开了一种光响应薄膜，是通过将油墨层、pet层和丙烯酸层结合制备出了三层光响应薄膜，利用了油墨的光热效应和丙烯酸的失水体积收缩。该方案制备的光热致动薄膜在较小温度变化下发生弯曲，但是制备方法和设计思路比较复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一是利用材料的热膨胀系数差异，通过结构设计提供一种光热致动薄膜，该双层智能薄膜结构简单，易于制备、响应速度快。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种光热致动薄膜，该薄膜的总厚度为35-50μm，在薄膜的厚度方向上，从该薄膜的其中一个表面至厚度15-25μm的范围内由高分子聚合物组成，剩余的厚度范围内由高分子聚合物和均匀分散在高分子聚合物中的光热填料组成，所述高分子聚合物的热膨胀系数x为3.6
×
10-5-20
×
10-5
/℃，所述光热填料的热膨胀系数y为 0.2
×
10-5-1.8
×
10-5
/℃，x/y≥2。
6.作为光热致动薄膜的进一步的改进：
7.优选的，所述高分子聚合物为聚酰亚胺、聚对本甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上的组合。
8.优选的，所述光热填料为镓铟合金颗粒、镓颗粒、金纳米晶体、银纳米晶体、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合。
9.本发明的目的之二是提供一种上述光热致动薄膜的制备方法：包括如下步骤：
10.s1、将高分子聚合物在溶剂中分散均匀，得到高分子聚合物溶液；
11.s2、采用成膜工艺将高分子聚合物溶液转移到基板上，在40-100℃下蒸发1-4h，制得高分子聚合物薄膜；
12.s3、将光热填料在溶剂中分散均匀，得到光热填料分散液，将光热填料分散液和步骤s1的高分子聚合物溶液混合并搅拌均匀，采用成膜方式转移到步骤s2的高分子聚合物薄膜上，然后在240-300℃下蒸发8-12h，固化后制得光热致动薄膜。
13.作为光热致动薄膜的制备方法的进一步改进：
14.优选的，步骤s3中所述光热填料在溶剂中通过超声进行分散，超声分散功率为60w-90w，超声时间为1min-3min。
15.优选的，步骤s3中所述光热填料分散液和高分子聚合物溶液混合搅拌的速度为200-500rad/min，搅拌时间为10min-30min。
16.优选的，步骤s2和s3中所述的成膜工艺为涂布、流延、旋涂中的一种或两种及其以上。
17.优选的，步骤s1、s3中所述的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺，n,n-二甲基乙酰胺，四氢呋喃，二氯甲烷中的一种。
18.本发明的目的之三是提供一种上述光热致动薄膜在柔性机器人和仿生系统领域上的用途。
19.本发明相比现有技术的有益效果在于：
20.1)本发明直接利用了材料的热膨胀系数差异，选择合适的光热填料添加到高分子聚合物基体中，设计出呈双层材料结构的光热致动薄膜，该薄膜结构简单、易于制备、响应速度快，可用于柔性机器人和仿生系统等领域。
21.2)本发明的光致动薄膜与其它刺激响应薄膜(光、湿度、电场、磁场、有机溶剂等)相比，选择光作为薄膜的激发源，光源作为丰富和清洁的资源，具有远程和精确控制性、以及在波长、偏振方向和强度方面的多种灵活性等优势。
22.3)本发明中的光热致动薄膜是光热致动，与光致动中的辐射压力致动相比效率更高；相比于光化学致动对光源的苛刻要求，光热致动薄膜能响应多种光源，而且效率较高。
附图说明
23.图1为实施例2制备的光热致动薄膜的扫描电镜图片(sem)。
24.图2为对比例和实施例1-4制备的薄膜样条在1.5w/cm2近红外激光下的弯曲角度和响应速度。
25.图3为实施例2制备的薄膜样条在不同强度激光下的弯曲角度和响应速度。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.首先从市场购得或自行制得：
28.作为基体的高分子聚合物：聚酰亚胺，或聚对本甲酸乙二醇酯，或聚碳酸酯，或聚乙烯醇，或聚二甲基硅氧烷，或它们中两种及其以上的组合；
29.作为光热填料的镓铟合金颗粒，或镓颗粒，或金纳米晶体，或银纳米晶体，或氧化石墨烯，或它们中两种及其以上的组合。
30.对比例
31.一种聚酰亚胺薄膜的制备方法，包括以下步骤：
32.(1)取溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、固含量为20wt％的聚酰胺酸10g，将其涂布到玻璃板上，然后在80℃下预固化1h，得到聚酰胺酸膜。厚度为 20-25um。
33.(2)再取溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、固含量为20wt％的聚酰胺酸10g，加入到7.5mln,n-二甲基乙酰胺中，搅拌均匀，涂布到(1)中所得的聚酰胺酸膜上，然后在250℃下
蒸发10h，溶剂蒸发后厚度为15-20um，亚胺化后得到光热致动薄膜1。
34.实施例1
35.具体的制备步骤为：
36.(1)取溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、固含量为20wt％的聚酰胺酸10g，将其涂布到玻璃板上，然后在80℃下预固化1h，得到聚酰胺酸膜。厚度为 20-25um。
37.(2)称取0.11g镓铟合金，加入到7.5mln,n-二甲基乙酰胺中，功率90w 超声3min，得到镓铟合金颗粒分散液。
38.(3)再取溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、固含量为20wt％的聚酰胺酸10g，与(2)所得镓铟合金颗粒分散液搅拌10分钟混合均匀，将混合液涂布到(1)中所得的聚酰胺酸膜上，然后在250℃下蒸发10h，溶剂蒸发后厚度为15-20um，亚胺化后得到光热致动薄膜2。
39.实施例2
40.本实施例的光致动智能膜的制备方法参考实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中“称取0.45g镓铟合金”，制备出光热致动薄膜3。
41.实施例3
42.本实施例的光致动智能膜的制备方法参考实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中“称取0.94g镓铟合金”，制备出光热致动薄膜4。
43.实施例4
44.本实施例的光致动智能膜的制备方法参考实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中“称取1.91g镓铟合金”，制备出光热致动薄膜5。
45.将对比例制备出的聚酰亚胺薄膜和实施例1-4制备出的光热致动薄膜制成样条，测试各样条在1.5w/cm2808nm近红外激光下的弯曲角度和时间，结果如图2所示，图2中lm/pi-n代表液态金属的质量分数为n。对比例制得的聚酰亚胺薄膜两侧热膨胀系数相同，因此聚酰亚胺样条并不发生弯曲，在其中一侧加入镓铟合金颗粒后(实施例1-4)，该侧的热膨胀系数降低，并且镓铟合金颗粒能将近红外光转化为热，因此样条会向添加镓铟合金颗粒的一侧弯曲。随着镓铟合金颗粒的含量提高，薄膜的热膨胀系数会逐渐降低，但是镓铟合金颗粒的粒径会增大，光热效果会降低，所以光致动智能膜样条的弯曲角度和响应速度并没有随着镓铟合金颗粒含量提高而提高。
46.将实施例2中制备的光热致动薄膜制成样条，测试样条在不同强度 808nm近红外激光下弯曲角度和时间，结果如图3所示。光热致动薄膜样条的弯曲角度和响应速度随着激光强度的增加而增加，这是因为激光强度增加，镓铟合金颗粒产生的热量随之增加，温度会更高，而此时薄膜的热膨胀系数和镓铟合金颗粒是固定不变，所以薄膜样条的弯曲角度和响应速度都会提高，有望用于用于柔性机器人和仿生系统等领域。
47.本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。