一种双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法与应用

本发明涉及刺激响应性驱动器领域，具体地指一种双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法与应用。

背景技术：

1、刺激响应性驱动材料能够将各种环境刺激转化为动态运动行为，在智能微型机器人、人工肌肉等领域具有重要的应用前景。如今，各种刺激响应驱动材料已经能够响应光、热、磁、湿度、ph等外部刺激。特别是，光作为一种清洁能源，由于其可远程操控、清洁无污染等优点引起了研究人员的广泛关注。同时，湿气作为大气环境中取之不尽用之不竭的能源，具有绿色环保、价格低廉、无污染等优点，湿度响应驱动材料能将环境空气中的微小湿度变化转化为宏观形状变化，近年来已经开发用于先进材料和设备。

2、偶氮苯作为一类典型的光敏性基团，在特定波长光诱导下能够发生可逆的分子构型转变，光诱导构型变化的积累最终引起宏观尺度的形状变形。此外，将氨基甲酸酯基团引入偶氮苯类聚合物体系中，能赋予偶氮苯类薄膜湿气刺激响应功能。因此，偶氮苯类驱动器薄膜已成为刺激响应性驱动器的理想候选材料。此外，单一刺激响应性驱动器在实际生活生产中具有很大的局限性，因此开发具有双重刺激响应驱动器在人工肌肉、仿生装置等领域具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种双重刺激响应性驱动器薄膜的简单方法。本发明通过偶氮醇与异氰酸酯或其衍生物为原料，经逐步加成聚合反应得到偶氮苯聚合物溶液，之后将聚合物溶液简单浇筑到模具中得到双重刺激响应性驱动器薄膜，同时具有光、湿气刺激响应性，具体表现为宏观尺度的形状变形，设计并组装得到一种智能仿生装置，在智能柔性致动器件方面具有良好的应用前景。

2、本发明的技术方案如下

3、本发明的一种光、湿气双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法与应用，技术方案如下：

4、1.一种双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法，其特征在于，步骤为：

5、(1)交联型偶氮苯聚合物的合成：将含偶氮醇、异氰酸酯或其衍生物、有机溶剂混合加入三口烧瓶内，室温下充分搅拌；然后氮气保护下加热，并滴加一滴催化剂；滴加完成后，维持特定温度继续反应；结束后滴加一滴去离子水以完全消耗掉异氰酸酯，冷却至室温，得到交联型偶氮苯聚合物溶液；

6、(2)驱动器薄膜的制备：将交联型偶氮苯聚合物溶液浇铸在模具中，真空烘箱24 h完全去除溶剂，制备得到双重刺激响应性驱动器薄膜。

7、2.根据权利要求1所述双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下条件中的一项或多项：

8、所述含偶氮醇单体，选自下列之一或组合：4-羟基偶氮苯、4-丁基-4'-羟基偶氮苯、4-(4-溴苯偶氮基)苯酚、4,4'-二羟基偶氮苯。

9、所述异氰酸酯或其衍生物，选自下列之一或组合：4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)、n-己基异氰酸酯、异氰酸丙基三乙氧基硅烷、异佛尔酮二异氰酸酯。

10、所述有机溶剂，选自下列之一或组合：乙醇、乙腈、丙酮、二氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺。

11、所述催化剂，选自下列之一或组合：二月桂酸二丁基锡、三乙胺。

12、3.根据权利要求1所述的双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法，其特征在于，所述的偶氮醇羟基与异氰酸酯或其衍生物中异氰酸酯基团的摩尔比为1 : 1，有机溶剂为10~20 ml，所述氮气保护下的加热温度为30~80℃，所述反应时间为12~24 h。

13、4.根据权利要求2所述的双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法，其特征在于，交联型偶氮苯聚合物溶液浓度为2~15 mg/ml，得到驱动器薄膜厚度为5~30 μm，模具材质为聚四氟乙烯材料。

14、5.根据权利要求1-4中任一所述的驱动器薄膜裁剪为指定形状，组装得到双重刺激响应性薄膜驱动器。

15、6.根据权利要求5所述的双重刺激响应性薄膜驱动器在人工肌肉、智能仿生装置中的应用。

16、本发明的有益效果

17、本发明的技术特点及有益效果如下：

18、(1)本发明公开的偶氮苯聚合物溶液制备方法步骤简单、原料易得。

19、(2)驱动器薄膜通过简单浇铸得到，操作简单方便。

20、(3)驱动器薄膜具有光、湿气双重刺激响应性，光刺激下偶氮苯基团可逆分子构型的转变及湿气刺激下膜的吸湿性都可使膜产生宏观尺度的变形。

21、(4)由于驱动器薄膜材料快速、可逆、灵敏的湿气刺激响应性行为，经过设计制备可以实现一系列仿生驱动行为，包括：仿生爬虫、人工肌肉、仿生花朵等。附图说明

22、图1为双重刺激响应性驱动器薄膜的atr ft-ir谱图

23、图2为驱动器薄膜在紫外光照射下的形变过程图片

24、图3为驱动器薄膜在湿气刺激下的形变过程图片

25、图4为设计组装驱动器薄膜得到仿生爬虫在湿气刺激下向前爬行过程图

26、图5为设计组装驱动器薄膜得到仿生花在湿气刺激下盛开过程图

27、实施方式

28、实施例1

29、(1)交联型偶氮苯聚合物的合成：将4,4'-二羟基偶氮苯（107 mg，0.5 mmol）、异氰酸丙基三乙氧基硅烷（247 mg，1 mmol）和无水四氢呋喃（5 ml）混合加入三口烧瓶内，室温下充分搅拌；然后氮气保护下加热至40℃，并滴加一滴三乙胺；滴加完成后，维持温度继续反应；结束后滴加一滴去离子水以完全消耗掉异氰酸酯，冷却至室温，得到偶氮苯聚合物溶液；

30、(2)驱动器薄膜的制备：将2 ml偶氮苯聚合物溶液浇铸在7 cm × 7 cm × 0.1cm聚四氟乙烯模具中，真空烘箱24 h完全去除溶剂，制备得到双重刺激响应性驱动器薄膜。

31、实施例2

32、(1)交联型偶氮苯聚合物的合成：将4,4'-二羟基偶氮苯（107 mg，0.5 mmol）、异氰酸丙基三乙氧基硅烷（297 mg，1.2 mmol）和无水四氢呋喃（10 ml）混合加入三口烧瓶内，室温下充分搅拌；然后氮气保护下加热至50℃，并滴加一滴三乙胺；滴加完成后，维持温度继续反应12 h；结束后滴加一滴去离子水以完全消耗掉异氰酸酯，冷却至室温，得到偶氮苯聚合物溶液；

33、(2)驱动器薄膜的制备：将2 ml偶氮苯聚合物溶液浇铸在7 cm × 7 cm × 0.1cm聚四氟乙烯模具中，真空烘箱24 h完全去除溶剂，制备得到双重刺激响应性驱动器薄膜。

34、实施例3

35、(1)交联型偶氮苯聚合物的合成：将4,4'-二羟基偶氮苯（214 mg，1 mmol）、异氰酸丙基三乙氧基硅烷（297 mg，1.2 mmol）和无水四氢呋喃（15 ml）混合加入三口烧瓶内，室温下充分搅拌；然后氮气保护下加热至50℃，并滴加一滴三乙胺；滴加完成后，维持温度继续反应12 h；结束后滴加一滴去离子水以完全消耗掉异氰酸酯，冷却至室温，得到偶氮苯聚合物溶液；

36、(2)驱动器薄膜的制备：将2 ml偶氮苯聚合物溶液浇铸在7 cm × 7 cm × 0.1cm聚四氟乙烯模具中，真空烘箱24 h完全去除溶剂，制备得到双重刺激响应性驱动器薄膜。

37、双重刺激响应性驱动器薄膜性能测试

38、如图1为双重刺激响应性驱动器薄膜的atr ft-ir谱图，显示出驱动器薄膜的成功制备。

39、如图2所示为双重刺激响应性驱动器薄膜在紫外光照射下的形变效果，将薄膜裁剪成11 mm × 7 mm大小，在紫外光照射膜末端10 min后，末端膜向光源弯曲，弯曲角度在15°。由此可以验证驱动器薄膜的光致动效果。

40、如图3所示为双重刺激响应性驱动器薄膜在湿气刺激下的驱动效果。将薄膜裁剪成1.5 cm × 1.5 mm大小，湿气刺激下膜实现了一系列仿生行为：弯曲、螺旋、扭曲、翻转、恢复。

41、如图4所示为设计组装双重刺激响应性驱动器薄膜在湿气刺激下实现仿生爬虫向前爬行的驱动效果。将膜裁剪成长度为17 mm，左侧宽8 mm，右侧宽11 mm的大小，充满湿气的氮气流刺激膜左侧，仿生爬虫在25 s内前进了8.5 mm，前进速率约为34 mm/min。

42、如图5所示为设计组装双重刺激响应性驱动器薄膜在湿气刺激下实现仿生花朵盛开的驱动效果。将膜花瓣尺寸裁剪成8 mm × 3 mm大小。充满湿气的氮气流由上至下刺激花瓣，在48 s后完全盛开。

43、综上可知，本发明提供了一种双重刺激响应性驱动器薄膜的制备方法与应用，具有光、湿气刺激响应效果，利用快速灵敏可逆的湿气致动效果设计组装得到仿生爬虫、仿生花，在智能仿生装置领域具有较好的应用前景。

44、以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。