本發(fā)明涉及致動材料領(lǐng)域，具體涉及一種致動材料、能對多種刺激產(chǎn)生響應的雙向彎曲型致動器及其制備方法。

背景技術(shù)：

致動器的工作原理為將其它能量轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換經(jīng)常采用的途徑有三種：通過靜電場轉(zhuǎn)化為靜電力，即靜電驅(qū)動；通過電磁場轉(zhuǎn)化為磁力，即磁驅(qū)動；利用材料的熱膨脹或其它熱特性實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，即熱驅(qū)動。

利用熱驅(qū)動的致動器克服了靜電驅(qū)動和磁驅(qū)動致動器形變量小的缺點，該致動器結(jié)構(gòu)只要能夠保證獲得一定的熱能就可以產(chǎn)生相應的形變。另外，相對于靜電力和磁場力，熱驅(qū)動力較大。電熱式致動器采用兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬結(jié)合成雙層結(jié)構(gòu)作為電致伸縮元件，當通入電流受熱時，由于一片金屬的熱膨脹量大于另一片，雙金屬片將向熱膨脹量小的一方彎曲。然而，由于上述致動材料采用金屬結(jié)構(gòu)，其柔性較差，形變量較小，致動器熱響應速度較慢；此外形變只能向一個方向彎曲，形變模式單一，不利于實際生產(chǎn)生活中的應用。

濕度致動器，是一種能感受氣體中水蒸氣含量，并利用材料的干縮濕脹效應的致動器，主要應用于機械工程、傳感器、氣體及濕度致動器等方面。濕度致動器的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，膜的體積發(fā)生變化，利用這一特性即可制成彎曲型致動器。

傳統(tǒng)的熱致動器與濕度致動器有結(jié)構(gòu)復雜，制備繁瑣，價格昂貴，且運動形式單一等缺點，急需改進。

碳基材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯及其衍生物，是近幾年來倍受關(guān)注的材料。以碳納米管為例，其具有許多優(yōu)異的性能，可應用于許多領(lǐng)域。碳納米管是由石墨片卷成的無縫中空管體，由于在碳納米管內(nèi)電子的量子限域作用，電子只能在石墨片中沿著碳納米管的軸向運動，因此碳納米管表現(xiàn)出獨特的電學性能和熱學性能。研究測試結(jié)果表明，碳納米管的平均電導率可達到1000~2000s/m（西門子/米）。此外，碳納米管還具有優(yōu)良的力學性能，如較高的強度和模量。

現(xiàn)有基于碳基材料的致動器在性能上有了較大的提升，整體柔性較好，形變量增大。然而，還是存在一些局限性，例如致動器的結(jié)構(gòu)比較單一，大多是采用雙層材料疊層設(shè)置的結(jié)構(gòu)，因而致動器僅能向熱膨脹量小的一側(cè)彎曲，彎曲方向單一，難以滿足目前對致動器多樣化的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于結(jié)合熱致動器及濕度致動器的優(yōu)勢，提供一種能對多種刺激做出響應的雙向彎曲型致動器及其制備方法以及該致動器采用的致動材料。本發(fā)明的致動器成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可快速制備且靈敏度高。

一種致動材料，其包括第一材料層、第二材料層以及位于第一材料層和第二材料層之間的粘結(jié)劑層，所述第一材料層、粘結(jié)劑層、第二材料層層疊設(shè)置，所述第一材料層的濕度膨脹系數(shù)大于第二材料層的濕度膨脹系數(shù)，并且第一材料層的熱膨脹系數(shù)小于第二材料層的熱膨脹系數(shù)，所述第一材料層為碳基纖維素復合材料層，所述第二材料層為聚合物材料層。

所述碳基纖維素復合材料層中的纖維素材料與碳基材料的重量比為500:1~1:1，纖維素材料為纖維素、半纖維素或木質(zhì)素，碳基材料為碳納米管、石墨、碳黑及其衍生物。

所述聚合物材料層中的聚合物為聚丙烯，聚乙烯，硅橡膠、氟硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈中的一種或幾種的組合。

所述粘結(jié)劑層的粘結(jié)劑為聚乙烯醇，α-氰基丙烯酸乙酯，亞克力膠，光固化膠，熱固化膠或其它非導電性固化膠中的一種或幾種的組合。

進一步，所述第一材料層的厚度為1~500μm，第二材料層的厚度為10~500μm，粘結(jié)劑層的厚度為1~300μm。

進一步，所述第一材料層為厚度100μm的碳納米管纖維素復合材料層，第二材料層為厚度35μm的雙向拉伸聚丙烯層，粘結(jié)劑層為厚度5μm的亞克力膠層。

所述第一材料層與第二材料層的厚度比為1:0.1~1:200，優(yōu)選地，該厚度比為1:0.5~1:10。

采用本發(fā)明所述的致動材料的雙向彎曲型致動器，其包括所述致動材料以及至少兩個電極，兩個電極間隔設(shè)置并與所述致動材料電連接，兩個電極間隔固定于致動材料第一材料層的表面上。

進一步，所述致動器的兩個電極間隔固定于致動材料第一材料層的表面上，在濕度增加的狀態(tài)下，致動器向第二材料層的表面方向彎曲；在加熱、通電、光照狀態(tài)下，致動器向第一材料層的表面方向彎曲。

所述的雙向彎曲型致動器的制備方法，包括以下步驟:

步驟一：制備均勻的纖維素材料懸濁液；

步驟二：通過真空抽濾或拉膜法制備干燥的纖維素薄膜；

步驟三：將碳納米管進行酸化處理，形成帶有羧基官能團的碳納米管；

步驟四：洗去上述碳納米管上的酸，將碳納米管重新分散于水中，形成穩(wěn)定的碳納米管水溶液；

步驟五：將纖維素薄膜浸入碳納米管水溶液中，然后取出并干燥形成碳基纖維素復合材料層，并組裝上第一電極與第二電極；

步驟六：利用縮聚反應形成聚丙烯薄膜，再對聚丙烯薄膜進行雙向拉伸，形成雙向拉伸聚丙烯薄膜層；

步驟七：采用提拉法將亞克力膠均勻覆蓋在雙向拉伸聚丙烯薄膜層上，形成粘結(jié)劑層；

步驟八：通過粘結(jié)、壓合方式將組裝有第一電極和第二電極的碳基纖維素復合材料層與聚丙烯薄膜層通過粘結(jié)劑層組裝在一起，得到所述致動器。

上述方法制備的致動器，當?shù)谝浑姌O及第二電極通電時，致動器會共同向第一材料層一側(cè)彎曲；致動器在光照下，會共同向第一材料層一側(cè)彎曲；致動器在高濕度環(huán)境下會向第二材料層彎曲。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的致動器具有以下優(yōu)點：其一，致動器能對多種刺激做出響應，因此能適用于各種不同的環(huán)境；其二，采用柔性聚合物與碳基纖維素復合材料作為主要材料，使得所述致動器具有柔性，且兼具良好的力學性能；其三，致動器可實現(xiàn)雙向彎曲形變，在此基礎(chǔ)上進一步設(shè)計可實現(xiàn)各種復雜形變。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1致動器剖面圖。

圖2為本發(fā)明實施例1致動器效果圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例來對本申請做進一步詳細說明。以下實施例僅對本申請做進一步說明，不應理解為對本申請的限制。

請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供一種致動器10，其包括第一材料層11，第一電極12，第二電極13，粘結(jié)劑層14，第二材料層15。第一材料層11，粘結(jié)劑層14，第二材料層15具有相同的長度和寬度，且它們層疊設(shè)置，第一材料層11的濕度膨脹系數(shù)大于第二材料層15，第一材料層11的熱膨脹系數(shù)小于第二材料層15。

所述第一材料層11為碳基纖維素復合材料層。所述碳基纖維素復合材料層中的纖維素材料為：纖維素；所述碳基纖維素復合材料層中的碳基材料為：碳納米管。

所述碳基纖維素復合材料層中的纖維素材料與碳納米管的重量比為500:1~1:1，優(yōu)選為4:1。

在實施例中，所述第一材料層11的厚度可以為1μm~500μm，優(yōu)選為45μm。

在實施例中，所述第二材料層的厚度可以為0.01~0.5mm。

在實施例中，所述粘結(jié)劑層14的厚度可以為1~300μm。

第一材料層11碳基纖維素復合材料與第二材料層15聚合物材料的厚度比可為1:0.1~1:200，優(yōu)選地，該厚度比為1:0.5~1:10。

所述第一電極12與第二電極13間隔設(shè)置并固定于第一材料層11的表面。本實施例中第一電極12與第二電極13與第一材料層11電連接，用于將外部電流輸入至第一材料層11中。

所述第一電極12，第二電極13可以為棒狀、條狀、塊狀或其他二維及三維形狀，其截面的形狀可以為圓形、方形、梯形、三角形、多邊形或其它不規(guī)則形狀。該第一電極12，第二電極13的材料可選擇為金、銀、銅、銅合金、鉑、鉑合金、碲、鋼、鐵、鋅、鎢、鉬、氧化鋁、氧化銦錫、氧化鋅、導電性聚合物、石墨或其他導電碳材料、其他可用于固體的導電材料等。

在本實施例中，第一材料層11為碳納米管纖維素復合材料，長度為30mm，寬度為10mm，厚度為100μm；第一電極12，第二電極13材料為銅，形狀為長條狀，寬度為1mm，長度為10mm，間距為30mm；粘結(jié)劑層14為亞克力膠，長度為30mm，寬度為10mm，厚度為5μm；第二材料層15的聚合物為雙向拉伸聚丙烯，長度為30mm，寬度為10mm，厚度為35μm。

實施例所述致動器，在相對濕度40%的環(huán)境下制備，具體包括以下步驟：

步驟一：通過攪拌、超聲攪拌、超聲分散等方法制備均勻的纖維素材料懸濁液。

步驟二：通過真空抽濾，拉膜等方法制備干燥的纖維素薄膜材料。

步驟三：將碳納米管與酸（硝酸或硫酸）以3:1的體積比例混合，并在50℃的加熱平臺上加熱4小時，從而對碳納米管進行酸化處理，形成帶有羧基官能團的碳納米管。

步驟四：洗去碳納米管上的酸，將碳納米管重新分散在水中，并超聲分散15分鐘形成穩(wěn)定的碳納米管水溶液。

步驟五：將纖維素薄膜浸入碳納米管水溶液中，而后取出并在80℃的加熱平臺上干燥形成碳基纖維素復合材料，并組裝上第一電極與第二電極。

步驟六：制備聚合物薄膜；

形成所述聚合物薄膜的方法根據(jù)第二材料層聚合物單體種類的不同分為包括縮聚反應、聚加反應、自由基聚合反應、陰離子聚合反應或陽離子聚合反應。在實施例中，利用縮聚反應形成聚丙烯薄膜，再對聚丙烯薄膜進行雙向拉伸，形成雙向拉伸聚丙烯薄膜。

步驟七：將粘結(jié)劑均勻覆蓋在聚合物薄膜上；

將粘結(jié)劑層均勻分布在第二材料層上的方法包括旋涂法，提拉法，涂抹法等，但不僅局限于上述方法。在本實施例中，采用提拉法將亞克力膠均勻覆蓋在雙向拉伸聚丙烯薄膜上，形成粘結(jié)劑層。

步驟八：通過粘結(jié)、壓合方式將組裝有第一電極和第二電極的碳基纖維素復合材料層與聚合物薄膜通過粘結(jié)劑層組裝在一起，得到所述致動器。

所述致動器10的工作原理：在高濕度環(huán)境下，由于第一材料層11的濕度膨脹系數(shù)大于第二材料層15的濕度膨脹系數(shù)，第一材料層11吸水膨脹，第二材料層15不吸水，從而使得兩層材料伸長的長度不一致，且第一材料層11與第二材料層15通過粘結(jié)劑層14緊密結(jié)合在一起，所以不會產(chǎn)生相對滑動，進而導致該致動器10向第二材料層15一側(cè)發(fā)生彎曲，形變效果請參閱圖2（b）。若將電壓通過第一電極12與第二電極13施加于該致動器10的第一材料層11的兩端，電流可通過上述第一材料層11進行傳輸。由于第一材料層11中含有具有電導率高的碳納米管，焦耳熱效應使第一材料層11，第二材料層15的溫度快速升高，由于第一材料層11的熱膨脹系數(shù)小于第二材料層15的熱膨脹系數(shù)，從而使得加熱后它們材料伸長的長度不一致，且第二材料層15與第一材料層11通過粘結(jié)劑層14緊密結(jié)合在一起，所以受熱伸長時不會產(chǎn)生相對滑動，進而導致該致動器10向第一材料層11一側(cè)彎曲，形變效果請參閱圖2（d）。該致動器在光照下，因第一材料層11中含有碳納米管，可將光能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)與通電加熱類似的形變效果，在此不再贅述。

所述致動器可通過濕度、光、電等多種方式驅(qū)動，并且可以實現(xiàn)雙向彎曲形變。