一种多重刺激响应的软体热驱动器及制备方法

1.本发明涉及一种软体驱动器，具体涉及一种多重响应的软体热驱动器及制备方法。


背景技术：

2.驱动器在人工肌肉、智能开关、机器人微传感等领域具有广泛的应用前景，对于智能系统对于内部指令的执行起到核心作用。随着智能机器人以及智能系统的快速发展与普及，对于驱动器的要求越来越高，需要同时具备快的响应速度、大的形变量、高的能量转换效率。电热驱动器是将电能转换为热能，利用材料热膨胀系数的差异驱动材料发生形变的驱动器件，热驱动器制备简单，可控性强。
3.许多材料因为其固有特性而被用于制造热驱动器。一般来说，具有优良导电性的材料如银纳米线(agnws)、碳纳米管(cnt)等被用作电热驱动器的电加热材料。举例来说，在4.5v驱动电压下，用银纳米线作原料制备了软体电热驱动器，其弯曲角度可达720
°
。然而，具有良好导电性的材料通常表现出较差的光热性能，导致制得的热驱动器光驱动性能差强人意。相比之下，石墨烯（graphene）、金纳米颗粒（aunps）和mxene等可以吸收光并将其转化为热能的材料通常被用作光热驱动器。例如，一种含mxene的各向异性水凝胶被用来设计一种柔软的光热驱动器，该驱动器可以被近红外光触发并在30秒内弯曲360
°
。与电热材料不同，光热材料通常表现出较差的导电性和较差的电热性能，通常需要高电压才能实现大变形。此外，大多数光热驱动器的刺激源仅限于近红外光，这进一步限制了它们的应用。因此，为了拓宽热驱动器件对不同环境的适应性，研制具有电、近红外光、紫外光等多种刺激响应且速度快、变形大的新型热驱动器至关重要。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明设计的目的在于提供一种多重刺激响应的软体热驱动器及制备方法。该制备方法只需要将银纳米线与mxene材料进行复合，利用线性等离子体效应即可实现多重响应刺激。
5.本发明通过以下技术方案加以实现：一种多重刺激响应的软体热驱动器，该软体热驱动器由基材层及涂布在基材层表面的涂覆层组成，基材层选用高分子薄膜，涂覆层为粘结剂溶液、银纳米线溶液及mxene溶液形成的混合溶液。
6.进一步地，软体驱动器分别在2-8v电、波长范围为750-1100nm的近红外光、波长范围在400-200nm的紫外光的三种外界环境刺激下升温并发生定向弯曲。
7.进一步地，高分子薄膜为线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、纸中的任一种。
8.进一步地，粘结剂为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠等中的一种或一种以上的混合。
9.进一步地，高分子薄膜的厚度为1-20um，涂覆层的厚度为0.1-2um。
10.进一步地，混合溶液中银纳米线溶液的浓度为2-15mg/ml， mxene溶液的浓度为1-10mg/ml，粘结剂溶液的浓度为0.5-5mg/ml。
11.进一步地，该驱动器的长度为1-20cm，宽度为0.1-10cm。
12.软体热驱动器的制备方法，包括如下步骤：1）将粘结剂溶液与银纳米线溶液、mxene溶液混合形成混合溶液；2）将混合溶液涂布在高分子薄膜的表面上，室温干燥；3）将干燥后的薄膜裁剪为指定形状制得软体热驱动器。
13.进一步地，混合溶液的溶剂为水、乙醇、甲醇、聚丙烯醇中的一种或几种的混合。
14.进一步地，涂布采用刮涂、旋涂、喷涂方法中的任一种。
15.本发明制备的驱动器结构简单，设计合理，易于制造，可分别在电、近红外光、紫外光等条件刺激下进行响应，此外，由于agnws的高导电性、mxene优异的光热性能，特别是agnws与mxene之间等离子体性质的协同作用，使得该驱动器可在2v的低驱动电压下卷起2200
°
，在近红外光下弯曲360
°
，响应速度快至0.4s，而且可在被紫外光照射下1.2s内弯曲360
°
。此外，通过添加荧光材料，热驱动器在紫外光下弯曲时可以发生荧光效应。该agnws/mxene热驱动器可能促进软体机器人的进一步发展。
附图说明
16.图1为agnws/mxene复合墨水的制备工艺示意图；图2为agnws/mxene热驱动器件的制备工艺示意图；图3为agnws/mxene热驱动器件的xrd图；图4为agnws/mxene热驱动器件的sem图；图5为agnws/mxene热驱动器件在电刺激下的形变照片；图6为agnws/mxene热驱动器件在近红外光刺激下的形变照片；图7为agnws/mxene热驱动器件在紫外光刺激下的形变照片。
具体实施方式
17.以下结合具体实施例对本发明做进一步描述，以便更好地理解本技术方案。
18.实施例1银纳米线的制备。首先，取0.9g硝酸银加入到20ml乙二醇中，随后取0.0132g氯化铜溶于16ml乙二醇中，在4-8℃超声下混合，直到完全溶解。接着，将0.8g聚乙烯吡络烷酮溶解在115ml乙二醇中，并在130℃下加热25min使其完全溶解，然后在250ml烧瓶中加热至140℃。随后，在5min内滴加3.2ml氯化铜溶液和20ml硝酸银溶液到聚乙烯吡络烷酮溶液中，保持反应50min，反应完成后将溶液淬冷至室温。最后，采用动态搅拌诱导离心法获得超纯银纳米线。
19.mxene的制备。首先将7.5ml盐酸和2.5ml去离子水放入聚四氟乙烯烧杯中，然后加入0.5g氟化锂和0.5 gti3alc2粉末，在35℃下500 rpm转速搅拌24h，用去离子水反复离心纯化得到的悬浮液。随后，当悬浮液ph达到7后，在氮气保护下超声处理1h。最后，再7500 rpm转速下离心20min，收集薄层mxene。
20.上述agnws/mxene复合墨水的制备工艺如图1所示，agnws/mxene热驱动器件的制备工艺如图2所示，制得agnws/mxene热驱动器件的xrd图如图3所示，sem图如图4所示。
21.agnws/mxene热驱动器的制备。首先在聚乙烯吡络烷酮的保护下，将得到的agnws与mxene混合得到agnws/mxene墨水，其次，使用自动涂膜机，以120mms-1
的涂膜速度在线性低密度聚乙烯基底上制备agnws/mxene薄膜。最后，将agnws/mxene薄膜裁剪成5x 1cm的尺寸，并在2v电压下弯曲2200
°
。在电刺激下的形变照片如图5所示。
22.实施例2银纳米线的制备及mxene的制备同实施例1。
23.agnws/mxene热驱动器的制备。首先在聚乙烯吡络烷酮的保护下，将得到的agnws与mxene混合得到agnws/mxene墨水，其次，使用自动涂膜机，以120mms-1
的涂膜速度在线性低密度聚乙烯基底上制备agnws/mxene薄膜。最后，将agnws/mxene薄膜裁剪成2x 1cm的尺寸，并在近红外光照射下0.4s内弯曲360
°
。在近红外光刺激下的形变照片如图6所示。
24.实施例3银纳米线的制备及mxene的制备同实施例1。
25.agnws/mxene热驱动器的制备。首先在聚乙烯吡络烷酮的保护下，将得到的agnws与mxene混合得到agnws/mxene墨水，其次，使用自动涂膜机，以120mms-1
的涂膜速度在线性低密度聚乙烯基底上制备agnws/mxene薄膜。最后，将agnws/mxene薄膜裁剪成1x0.5cm的尺寸，并在紫外线照射下1.2s内弯曲360
°
。在紫外光刺激下的形变照片如图7所示。
26.实施例4银纳米线的制备及mxene的制备同实施例1。
27.agnws/mxene热驱动器的制备。首先在聚乙烯吡络烷酮的保护下，将得到的agnws与mxene混合得到agnws/mxene墨水，其次，使用自动涂膜机，以120mm s-1
的涂膜速度在聚丙烯基底上制备agnws/mxene薄膜。最后，将agnws/mxene薄膜裁剪成5x1cm的尺寸，并在2v电压下弯曲2200
°
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28.实施例5银纳米线的制备及mxene的制备同实施例1。
29.agnws/mxene热驱动器的制备。首先在聚乙烯吡络烷酮的保护下，将得到的agnws与mxene混合得到agnws/mxene墨水，其次，使用自动涂膜机，以120mm s-1
的涂膜速度在聚丙烯基底上制备agnws/mxene薄膜。最后，将agnws/mxene薄膜裁剪成2x1cm的尺寸，并在近红外光照射下0.4s内弯曲360
°
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30.实施例6银纳米线的制备及mxene的制备同实施例1。
31.agnws/mxene热驱动器的制备。首先在聚乙烯吡络烷酮的保护下，将得到的agnws与mxene混合得到agnws/mxene墨水，其次，使用自动涂膜机，以120mm s-1
的涂膜速度在聚丙烯基底上制备agnws/mxene薄膜。最后，将agnws/mxene薄膜裁剪成1x0.5cm的尺寸，并在紫外线照射下1.2s内弯曲360
°
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