一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法

1.本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，具有可逆可控、响应环境刺激发生形变的智能材料和复合材料得到了很大的发展。比如，介电弹性体、液晶弹性体、形状记忆聚合物(smps)、导电聚合物等材料都有制备柔性驱动器的相关研究。其中，与其他智能材料相比较，smps，尤其是双向smps具有可逆形变，结构简单、成本低等特点，成为研究热点。
3.但使用smps制备柔性驱动器还存在着不可忽视的局限性，包括以下两个方面：
4.一方面是材料本身导电性能不好，要实现更加方便快捷的电驱动，需要引入导电粒子(如炭黑、碳纳米管、石墨烯等)对smps进行复合，但导电粒子在聚合物内部很难分散均匀，使得制得的柔性驱动器的性能和应用受到一定影响；
5.另一方面是材料本身的热扩散速度会限制响应速度，通常需要较高的驱动电压来实现快速响应。
6.因此，本领域亟需开发一种导电网络均匀分布、低电压驱动的柔性驱动器。在smps中，商用的半结晶eva成本低，弹性好并且易于加工。研究表明，具有结晶和交联结构的eva在恒定和无应力条件下具有熔融诱导收缩的作用，这为r柔性驱动器的热响应提供了动力。
7.本发明通过一种简单易操作的方法制得的柔性驱动器，有望实现优良的电热驱动性能，并且结合牢度高，具有良好的耐久性，延长了柔性驱动器的使用寿命。


技术实现要素：

8.基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种具备优良电热驱动性能的柔性驱动器及其制备方法。
9.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
10.一种具备电热驱动性能的柔性驱动器的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤一、将对甲基苯磺酸水合物和吡咯加入水中得到浸没液；eva膜悬挂并完全浸没于浸没液中，且浸没液处于搅拌状态；
12.步骤二、将三氯化铁溶液滴加至浸没液中，之后室温下聚合；
13.步骤三、聚合完成后将膜样取出，水洗、烘干、清理表面，即得到eva@ppy复合薄膜。
14.作为优选方案，所述步骤一中，对甲基苯磺酸水合物与吡咯的摩尔比为(1～5)：1。
15.作为优选方案，所述步骤一中，吡咯的浓度为0.05～0.1mol/l。
16.作为优选方案，所述步骤一中，搅拌期间进行若干次提拉膜样操作。
17.作为优选方案，所述步骤二中，三氯化铁与吡咯的摩尔比为1：1。
18.作为优选方案，所述步骤二中，使用滴管滴加三氯化铁溶液时需逐滴缓慢滴加。
19.作为优选方案，所述步骤二中，室温聚合时间为1～1.5h。
20.作为优选方案，所述步骤三中，烘干的温度为50～60℃，时间为2～4h。
21.作为优选方案，所述步骤三中，清理表面采用刷子清扫。
22.本发明还提供如上任一项方案所述的制备方法制得的柔性驱动器。
23.本发明与现有技术相比，有益效果是：
24.本发明的eva@ppy复合薄膜不仅具有柔性好、结合牢度高、耐久性和制造工艺简单等优点，而且还具有优良的电热驱动性能，在35v的驱动电压下，薄膜可在10s升温至100℃以上，超过了eva的响应温度，从而实现快速驱动的目的。
附图说明
25.图1是本发明实施例1的eva@ppy复合薄膜截面的扫描电子显微镜照片；
26.图2是本发明实施例1-5的不同酸掺杂含量的eva@ppy复合薄膜的电导率；
27.图3是本发明实施例1-5的不同酸掺杂含量的eva@ppy复合薄膜在施加不同电压下温度是与时间的关系；其中，(a)ep-1，(b)ep-2，(c)ep-3，(d)ep-4，(e)ep-5；
28.图4是本发明实施例1的ep-5复合薄膜在红外热成像仪下拍摄的施加35v电压及断开后的图；
29.图5是本发明实施例1的ep-5复合薄膜拉伸20％，以3.33mm/s循环10000次的电阻变化曲线。
具体实施方式
30.以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
31.实施例1：
32.本实施例的eva@ppy复合薄膜的制备方法，具体包括：
33.步骤一、将0.075mol(约为14.25g)对甲基苯磺酸水合物和吡咯(0.015mol，约为1ml)加入290ml去离子水中得到浸没液，eva膜(裁成5mm
×
35mm的样条)悬挂在烧杯内的浸没液使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
34.步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10ml去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
35.步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到eva@ppy复合薄膜，命名为ep-5。
36.如图1所示，为ep-5复合薄膜截面的sem图，可以看到聚吡咯在eva基体表面均匀分布，构建了完美的导电网络。
37.如图2所示，为不同酸掺杂含量的eva@ppy复合薄膜的电导率，可以看出ep-5的电导率最大，达到了0.244s/cm。
38.如图3所示，为不同酸掺杂含量的eva@ppy复合薄膜在施加不同电压下温度是与时间的关系，可以看到ep-5的升温速率最快，在施加35v电压的条件下，可以在10s内达到100℃以上，高于eva的驱动温度。
39.如图4所示，为ep-5复合薄膜在红外热成像仪下拍摄的施加35v电压及断开后的图，可以看到ep-5复合薄膜在15s的时候就已经达到了120℃，持续施加电压到20s，断开后薄膜在40s的时间内快速下降至室温附近。
40.如图5所示，ep-5复合薄膜拉伸20％，以3.33mm/s循环10000次的电阻变化曲线，可以看到复合薄膜的电阻值在拉伸循环10000次后仅增加了11.97％。
41.实施例2：
42.本实施例的eva@ppy复合薄膜的制备方法，具体包括：
43.步骤一、将0.060mol(约为11.40g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1ml)加入290ml去离子水中，eva膜(裁成5mm
×
35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
44.步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10ml去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
45.步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到eva@ppy复合薄膜，命名为ep-4。
46.按照如实施例1相同的手段对本实施例的eva@ppy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率与实施例1获得的复合薄膜电导率相近，施加不同电压升温速率也与实施例1相近，施加35v电压的条件下，可以在10s内迅速升温至100℃以上。
47.实施例3：
48.本实施例的eva@ppy复合薄膜的制备方法，具体包括：
49.步骤一、将0.045mol(约为8.55g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1ml)加入290ml去离子水中，eva膜(裁成5mm
×
35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
50.步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10ml去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
51.步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到eva@ppy复合薄膜，命名为ep-3。
52.按照如实施例1相同的手段对本实施例的eva@ppy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率小于实施例1获得的复合薄膜电导率，施加不同电压升温速率也比实施例1稍慢。
53.实施例4：
54.本实施例的eva@ppy复合薄膜的制备方法，具体包括：
55.步骤一、将0.030mol(约为5.70g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1ml)加入290ml去离子水中，eva膜(裁成5mm
×
35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
56.步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10ml去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
57.步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到eva@ppy复合薄膜，命名为ep-2。
58.按照如实施例1相同的手段对本实施例的eva@ppy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率小于实施例1获得的复合薄膜电导率，施加不同电压升温速率也比实施例1稍慢。
59.实施例5：
60.本实施例的eva@ppy复合薄膜的制备方法，具体包括：
61.步骤一、将0.015mol(约为2.85g)对甲基苯磺酸-水合物和吡咯(0.015mol，约为1ml)加入290ml去离子水中，eva膜(裁成5mm
×
35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
62.步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10ml去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
63.步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到eva@ppy复合薄膜，命名为ep-2。
64.按照如实施例1相同的手段对本实施例的eva@ppy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率小于实施例1获得的复合薄膜电导率，施加不同电压升温速率也比实施例1慢，在施加25v电压的条件下，复合薄膜已经不能在40s内升温至100℃以上了。
65.对比例1：
66.本对比例的eva@ppy复合薄膜的制备方法，具体包括：
67.步骤一、将吡咯(0.015mol，约为1ml)加入290ml去离子水中，eva膜(裁成5mm
×
35mm的样条)悬挂在烧杯内使膜样完全浸没，放在磁力搅拌器上搅拌；
68.步骤二、称量0.015mol(约为2.44g)无水三氯化铁粉末加入10ml去离子水中配制三氯化铁溶液，用滴管逐滴缓慢加入烧杯，之后室温下聚合60min，期间搅拌不停止；
69.步骤三、聚合结束后将膜样取出，水洗几次后，放入鼓风干燥箱50℃干燥2h，用刷子扫去表面结合不牢固的聚吡咯粉末，即得到eva@ppy复合薄膜，因未加入对甲基苯磺酸-水合物，故命名为ep-0。
70.按照如实施例1相同的手段对本实施例的eva@ppy复合薄膜进行表征，结果表明复合纤维的电导率远小于实施例1获得的复合薄膜电导率，仅为0.01659s/cm。
71.在上述实施例及其替代方案中，吡咯的浓度还可以为0.05mol/l、0.6mol/l、0.07mol/l、0.08mol/l、0.1mol/l等。
72.在上述实施例及其替代方案中，室温聚合的时间还可以为70min、80min、90min等。
73.在上述实施例及其替代方案中，烘干的温度还可以为55℃、60℃等，时间还可以为2.5h、3h、3.5h、4h等。
74.以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。