[发明专利]一种双层薄膜致动器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双层薄膜致动器及其制备方法，属于功能材料和软体机器人领域。通过固态碱自牺牲法在高分子薄膜基底上定向生长一层规则排布的金属氢氧化物，形成包括高分子膜和过渡金属氢氧化物的双层结构。本发明制备方法简单，成本低，可实现大规模制备。本发明利用双层薄膜对湿度响应的差异，在湿度变化、加热、红外光等条件下实现迅速、显著、稳定的变形能力，通过变形控制可实现移动和抓取物体。因此，在柔性开关、人造肌肉、软体机器人、环境监测等领域具有重要应用价值。

技术领域

本发明属于功能材料和软体机器人应用技术领域，具体涉及一种双层薄膜致动器及其制备方法。

背景技术

软体机器人是一种新型柔软机器人，其驱动方式主要取决于所使用的智能材料在电场、压力、磁场、化学反应、光、温度、湿度等刺激下实现形变。作为一种有效智能材料，双层薄膜致动器特征为双层结构，依靠两种材料在刺激时产生的形变不同进而完成移动，抓取等动作。其研究难点在于敏感材料的选择和双层结构的设计。

过渡金属氢氧化物由于具备水滑石层状结构，层间水分子的迁入和迁出会导致上下两层板以及层间距发生改变，对湿度敏感度高，因此是一种理想的湿度致动器材料。如果将过渡金属氢氧化物与对湿度不敏感的膜材料进行复合，即可得到薄膜湿度致动器。传统过渡金属氢氧化物制备方法如化学沉淀方法均无法控制在基底上单面沉积，因而无法获得双层结构。而水热法由于温度较高，对于基底的要求较高。有文献报道通过在柔性金属基底(厚度约为1微米)上电沉积制备氢氧化镍/羟基氧化镍(Sci.Robot.，2018，3,eaat4051)，氢氧化镍钴(ACS Appl.Mater.Interfaces 2020,12,27,30557–30564)氧化钴/氢氧化钴复合物(Adv.Mater.Tec.2019,4(12),1900746)等薄膜可实现湿度刺激响应。但是该制备方法受限于超薄柔性金属基底的制作工艺和成本，而且无法实现大面积制备，而更换为非金属基底后，无法采用电沉积方法实现过渡金属氧化物的定向生长。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种制备双层薄膜致动器的方法，具体的是一种室温条件下在非导电高分子薄膜基底上，定向生长过渡金属氢氧化物，高分子薄膜基底对湿度不敏感，定向生长的过渡金属氢氧化物对湿度极其敏感，进而形成致动器的双层结构。该方法简单，成本低，适于大面积制备。所得到的复合薄膜具备湿度致动响应，在加热、红外光条件下实现迅速、显著、可恢复的变形能力，通过变形控制可实现移动和抓取物体。

本发明采取的技术方案为：

一种双层薄膜致动器的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将碱性氧化物粉末分散于溶剂中，超声分散得到悬浮液；

(2)将步骤(1)所制悬浮液负载在高分子薄膜基底表面，涂覆量为0.1-10mg/cm²，然后烘干制得复合薄膜；

(3)将步骤(2)所制复合薄膜浸入金属离子浓度为0.01-1.0M的过渡金属盐溶液反应0.1-12小时；

(4)将步骤(3)反应后的复合薄膜取出，洗涤并干燥后得到由高分子薄膜和过渡金属氢氧化物层组成的目标双层薄膜致动器。

进一步的，所述步骤(1)中碱性氧化物包括但不限于氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化钡、氧化铝、氧化锌、氧化铜中的一种或多种，溶剂为无水乙醇，浓度为0.1-20mg/mL，超声分散时间为10-120分钟。

进一步的，所述步骤(1)中负载方法包括但不限于真空抽滤、喷涂、刮涂中的一种。

进一步的，所述步骤(2)中高分子薄膜基底包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙稀、聚酰亚胺等常见薄膜中的任意一种，薄膜厚度小于100微米，过渡金属氢氧化物层厚度为0.2-1微米。