一种光响应变形的光驱膜及其制备方法与在仿生驱动器与光电转换摩擦纳米发电机中的应用

本发明涉及柔性驱动器材料，具体涉及一种光响应变形的光驱膜及其制备方法与在仿生驱动器与光电转换摩擦纳米发电机中的应用。

背景技术：

1、柔性智能材料能够实现光能到机械能的快速转化，由柔性智能材料制成的柔性机器人通过对动植物运动的模仿，在复杂的自然环境中可以产生大的变形并进行连续的高自由度运动，能够实现攀爬、跳跃、卷曲等多种运动形式。与传统的刚性机器人不同，柔性机器人具有结构简单、质量轻巧、自由度高、环境适应性好、工作噪声低等优势，目前在国防、生物医疗器械等领域得到了广泛关注。

2、尽管柔性智能材料的驱动研究取得了丰硕的成果，但是仿生驱动与持续光照刺激下的研究仍有很大的探索和进步空间。

3、为此，需要提供一种在光照刺激下能够实现多种仿生运动形式以及实现更高功率光电转换摩擦纳米发电机的驱动器。

4、公布号为cn108484951a的中国专利申请文献，公开了一种光热响应材料及用其制备光热驱动机器人的方法及应用，具体地是在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜上引入石墨烯氧化物和金纳米棒的复合物薄膜，将得到双层薄膜作为制备机器人的原材料薄膜，并利用商用的光盘光雕光驱对原材料薄膜上层的复合薄膜进行激光扫描改性，获得图案化的机器人结构；扫描时，激光对机器人结构中的光驱动器区域完成光还原，使得这些区域的复合薄膜同时获得高吸光度和高热导率，连同下层pmma薄膜形成高效的光驱动器组件。在用光源照射机器人进行驱动时，由于还原后的光驱动器区域的复合薄膜的热膨胀系数远小于pmma薄膜，使得光驱动器组件迅速向复合薄膜一侧弯曲，进而驱动机器人变形或运动。但该专利并未涉及nafion/黑色颜料/聚乙烯材料，且光电转换效率较低。

5、公布号为cn112853758a的中国专利申请文献，公开了一种快速光热响应的形状记忆驱动器及其制备方法和用途，其基底为具有微纳米纤维结构和形状记忆功能的柔性基底纤维膜，所述柔性基底纤维膜上沉积有纤维素纳米微晶与导电二维mxene材料。本发明的形状记忆驱动器的光热响应速度快，在80～140mw/cm2的近红外刺激下，形状记忆驱动器表面的温度在20s内可以快速达到80℃以上。但该专利也并未涉及nafion/黑色颜料/聚乙烯材料，且光电转换效率较低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种光驱动膜，能够通过远程光照调节，使其实现自动缠绕、解开缠绕、攀爬等功能，以及对光电转换摩擦纳米发电机性能的提升，且制备简单、制作流程短、材料成本低。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、本发明的第一方面提出一种光响应变形的光驱膜的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)制备黑色颜料溶液：将黑色颜料颗粒研磨成粉状，然后加入去离子水，充分混匀；

5、(2)制备nafion-黑色颜料溶液：将nafion溶液与n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液加入到步骤(1)黑色颜料溶液中，然后将混合物超声处理后得到nafion-黑色颜料溶液，并将nafion-黑色颜料溶液进行抽真空处理，去除内部气体杂质；

6、说明：所使用的nafion溶液为全氟磺酸型聚合物溶液。

7、(3)制备nafion-黑色颜料薄膜：将步骤(2)处理好的nafion-黑色颜料溶液滴在玻璃片上，然后加热，干燥后将nafion-黑色颜料薄膜从玻璃片上剥离；

8、(4)制备nafion/黑色颜料/聚乙烯光驱膜：将单面带有粘性的聚乙烯胶带展开平放，然后将nafion-黑色颜料薄膜贴附在聚乙烯胶带上面，即得到光驱膜。

9、有益效果：本发明的光驱膜由nafion/黑色颜料/聚乙烯材料制成，当有灯光照射时，nafion/黑色颜料/聚乙烯材料发生感光自动张开，且随着光照强度的增强，nafion/黑色颜料/聚乙烯材料张开角度随之增大。当没有光照射时，nafion/黑色颜料/聚乙烯材料又会自动闭合且恢复光照之前的状态，既达到了可远程使用光源控制驱动器的目的，又具有结构简单、驱动方便的优点。

10、优选的，所述步骤(1)中黑色颜料的质量和去离子水体积的比为(0.01-0.1)g：(0.5-2)ml，更优选为0.05g:1ml。

11、优选的，所述黑色颜料材料为苯胺黑、绝缘炭黑、铜铬黑中的一种或多种组合。

12、优选的，所述步骤(1)中研磨设备为研钵，研磨时间为5-15min，更优选的，为10min。

13、优选的，所述步骤(1)中混匀设备为旋涡混合器，混合时间为10-20min，更优选的，为15min。

14、优选的，所述步骤(2)中nafion与dmac的质量比为(1-5):(0.1-1)，更优选的，质量比为3:0.5。

15、优选的，所述步骤(2)中超声功率为300w，超声时间为20-40min，更优选的，为30min。

16、优选的，所述步骤(2)中抽取真空时间为5-15min，更优选的，为10min。

17、优选的，所述步骤(3)中玻璃片的尺寸为25×75mm。

18、优选的，所述步骤(3)中nafion-黑色颜料溶液为2ml。

19、优选的，所述步骤(3)中的真空干燥箱温度设定为30-80℃，加热时间为2-6h。

20、优选的，所述步骤(3)中的真空干燥箱温度设定为50℃，加热时间为4h。

21、优选的，所述步骤(4)中nafion-黑色颜料薄膜沿聚乙烯胶带长度方向贴附在聚乙烯胶带上面，然后将两端用胶带粘贴起来即得到用于摩擦纳米发电机的光驱膜。

22、进一步的，所述步骤(4)中先将聚乙烯胶带沿长度方向拉伸后再平放，然后将nafion-黑色颜料薄膜沿聚乙烯胶带长度方向贴附贴附在聚乙烯上面，即得到用于仿生驱动的光驱膜。

23、有益效果：由于聚乙烯胶带在沿着其长度方向上具有各向异性，因此在制备nafion/苯胺黑/聚乙烯材料时，需要沿着胶带长度方向粘贴nafion-黑色颜料薄膜。

24、进一步的，所述步骤(4)聚乙烯胶带厚度为30μm。

25、进一步的，所述步骤(4)对聚乙烯胶带施加的预应力为将其长度拉长10mm。

26、进一步的，所述步骤(4)中光驱膜的厚度为60μm，聚乙烯胶带与nafion-黑色颜料薄膜的厚度比为1:1。

27、本发明的第二方面提出采用上述制备方法制得的光驱膜。

28、本发明的第三方面提出采用上述制备方法制得的光驱膜在仿生驱动器与光电转换摩擦纳米发电机中的应用。

29、本发明的优点在于：

30、1、本发明的光驱膜由nafion/黑色颜料/聚乙烯材料制成，当有灯光照射时，nafion/黑色颜料/聚乙烯材料发生感光自动张开，且随着光照强度的增强，nafion/黑色颜料/聚乙烯材料张开角度随之增大。当没有光照射时，nafion/黑色颜料/聚乙烯材料又会自动闭合且恢复光照之前的状态。

31、2、本发明利用黑色颜料的光热效应，提高nafion/黑色颜料/聚乙烯材料对光强的敏感性，使光驱膜可在光源的照射下张开、无光源照射时闭合，且张开角度随光照强度的增强而增大，实现可调节性的驱动，既达到了可远程使用光源控制驱动器的目的，又具有结构简单、驱动方便的优点。

32、3、本发明利用非导电性黑色颜料，使驱动器表面更容易积攒电子，从而提高摩擦纳米发电机的输出电压。

33、4、本发明的光驱膜能够通过远程光照调节，使仿生人工驱动器实现自动缠绕、解开缠绕、攀爬等功能，以及对光电转换摩擦纳米发电机性能的提升，且制备简单、制作流程短、材料成本低。