[發明專利]一種氧化石墨烯濕度響應執行器及其制備方法

在審

• 申請號: 201611120573.3
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106587016A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 趙瑋;陳森;趙春寶;朱憲忠;周志近;孫可
• 申請（專利權）人: 南京信息職業技術學院
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/198
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司32112
• 代理人: 李靜

技術領域

本發明涉及一種濕度響應執行器，尤其是一種氧化石墨烯濕度響應執行器，屬于智能信息材料與器件領域。

背景技術

在過去的幾十年中，智能響應材料與器件在電子學、光電子學、材料科學、生物化學等領域取得了許多突破性進展，新材料與新器件不斷被研發出來。這就引申出了智能響應執行器這一概念。智能響應執行器可以將各種形式的刺激轉化為機械形變，在宏觀、微觀和納米級上執行工作。作為機器人的一個關鍵組件，執行器在不同的應用中顯示了巨大的潛力，如：機器人、微機械系統(MEMS)、自適應光學、生物學/生物醫學設備等。

濕度響應執行器，主要指當環境濕度發生變化時，器件可以產生機械形變，形變帶來的力可以做功，因此叫做濕度響應執行器。現有的濕度響應執行器往往采用濕度傳感器配合電動執行器，需要復雜的結構且消耗額外的能量；而少量無電源的濕度感應執行器雖然采用親水層加疏水層的結構，但兩層往往是用不同材料經過不同工序獲得，兩相之間存在明顯的分層，導致器件性能下降，循環次數低(使用壽命短)。

自2004年被確認存在以來，作為二維材料代表的石墨烯引起了學術界廣泛關注。這種新材料具有較高的功函數，非凡的電子學性能和它與有機分子間強大的π-π相互作用，這些都能降低電極/有機層之間的電子注入勢壘，提高器件性能。石墨烯的制備方法主要有化學合成、外延生長、化學氣相沉積、微機械剝離、天然石墨氧化還原法、電化學方法等。其中還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)因其制備工藝簡單易控，被認為是最有希望工業化的功能性電子材料之一。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術濕度響應執行器的不足，提供一種氧化石墨烯濕度響應執行器，其結構簡單，不需要采用傳感器，直接由親水層加疏水層構成，且疏水層為部分親水層轉化而來，不需要額外步驟將二者結合，因此結合力牢固，不存在分層問題，所以使用壽命長。

本發明的另一個目的還在于提供上述氧化石墨烯濕度響應執行器的制備方法。

本發明的原理：本發明人利用氧化石墨烯和還原氧化石墨烯有巨大的親/疏水性差別，來制備濕度響應執行器。本發明人利用氧化石墨烯上含氧官能團對水分的捕獲能力，將氧化石墨烯薄膜應用到濕度響應執行器中。并通過調控氧化石墨烯上官能團的種類與數量及還原層厚度，優化執行器的使用效果。

技術方案

一種氧化石墨烯濕度響應執行器，所述氧化石墨烯濕度響應執行器厚度為3-6微米，由親水層和疏水層構成，親水層和疏水層為一體成型，所述親水層的材料為氧化石墨烯，所述疏水層的材料為還原氧化石墨烯。

進一步，所述親水層厚度為2-5微米，疏水層厚度為1-2微米。

上述氧化石墨烯濕度響應執行器的制備方法：

(1)制備氧化石墨烯薄膜：制備濃度為1-8mg/mL的氧化石墨烯分散液，將分散液置于真空抽濾裝置中，進行抽濾，濾膜上得到的為氧化石墨烯薄膜，控制氧化石墨烯薄膜厚度為3-6微米。

(2)將步驟(1)制得的氧化石墨烯薄膜進行還原處理，即得。

步驟(1)中，所述抽濾操作的時間為0.5-2小時，所用濾膜為聚偏氟乙烯(PVDF)或陽極氧化鋁(AAO)。

步驟(2)中，所述還原處理方法為：將氧化石墨烯薄膜置于還原性氣體蒸汽中進行熏蒸，熏蒸時間為15-45分鐘。所述還原性氣體蒸汽選自肼蒸汽、氫碘酸蒸汽或醋酸蒸汽中的任意一種。

步驟(2)中，所述還原處理方法還可以為：將氧化石墨烯薄膜在紫外光下輻照15-90分鐘，入射光線角度為90度，垂直入射。也可以采用陽光直接輻照，這樣不需要額外電源了，此時通過調節入射光線的角度能控制光密度的大小，進而控制了還原層的厚度，采用陽光直接輻照的話，通常陽光輻照時間為30-90分鐘，入射光線角度45-90度。

氧化石墨烯薄膜在受到還原性環境(還原劑的蒸汽或者具有還原效果的紫外光)影響時會轉變為疏水的還原氧化石墨烯材料，但這種轉變是有厚度限制的，本發明人發現當還原氧化石墨烯到一定厚度(2微米左右)后，黑色且致密的還原氧化石墨烯會隔斷還原性蒸汽或者紫外光的進一步影響。因此本申請直接采用氧化石墨烯薄膜親水層作材料，讓其部分轉變為疏水層。