[發明專利]一種光熱刺激智能響應致動器薄膜、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202010168994.3
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111396273B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 杜飛鵬;劉哲坤;羅帥;張云飛;鄢國平;郭慶中
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01;C08L33/24;C08K3/04;C08J5/18;C08F220/54;C08F220/56
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種光熱刺激智能響應致動器薄膜、制備方法及其應用，屬于高分子復合技術領域。本發明的光熱刺激智能響應致動器薄膜，由上至下依次層疊布置的三層膜構成，第一層為聚N?異丙基丙烯酰胺的碳納米復合材料膜層，第二層為碳納米材料膜層，第三層為聚(N?異丙基丙烯酰胺?co?丙烯酰胺)的碳納米復合材料膜層。本發明還公開了上述光熱刺激智能響應致動器薄膜的制備方法及其應用。本發明的光熱刺激智能響應致動器薄膜能在更寬的溫度范圍內、分階段的產生較大形變，這種溫度刺激響應具有可逆性，特別適用于軟機器人、藥物輸送、電機和人造肌肉等光熱響應致動器。

技術領域

本發明涉及一種光熱刺激智能響應致動器薄膜、制備方法及其應用，屬于高分子復合技術領域。

背景技術

智能驅動器可響應環境刺激(如pH值、溫度、電力、化學能、溶劑、濕度和光線)，提供良好可控且可逆的形狀變化，在可穿戴計算機、人造肌肉、電子皮膚和智能微機器人等領域具有巨大的應用潛力。因此，許多研究人員致力于在各種材料系統的基礎上合理設計和構造智能驅動器。目前，正在開發或應用的制動器包括形狀記憶合金或聚合物、刺激響應型凝膠、液晶聚合物及共軛聚合物等。

采用光作為外場來刺激致動器來獲取響應，是一種重要的方式。光響應材料在光機械致動器中提供可編程和可逆的機械功能，具有諸如無接觸致動，本地和遠程控制，省略使用連接線或電極等優點。作為光響應材料的一個分支，近紅外(NIR)響應高分子納米復合材料因其極小的侵入性和“生物窗”中的高透明度而備受關注。它們通常由吸收近紅外光的納米材料(例如，各向異性金屬納米結構，碳納米管和石墨烯)與各種可受刺激響應的軟基質組成。碳材料在近紅外光波段顯示出很高的光熱轉換效率；當其摻入聚合物基質中時，它可以將吸收的近紅外光轉換成熱能，從而提高納米復合材料的溫度，溫度的變化引起相變發生，最終引起刺激響應機制的發生。碳納米管和石墨烯均可以作為光熱響應致動器的光熱轉換介質材料，賦予高分子納米復合材料致動器優異的綜合性能。

聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，作為一種溫敏性高分子聚合物，對溫度具有特殊的響應方式：聚(N-異丙基丙烯酰胺)擁有一個低臨界溶解溫度(LCST)，在30℃-35℃，并且在此范圍內聚(N-異丙基丙烯酰胺)產生親水/疏水間的可逆構象變化，進而發生相分離。聚(N-異丙基丙烯酰胺)分子內含有酰胺基和異丙基兩種基團，若溫度在低臨界溶解溫度以下，可以通過酰胺基與水的氫鍵使聚(N-異丙基丙烯酰胺)在水中穩定存在，水分子包圍在疏水基團周圍，此時聚(N-異丙基丙烯酰胺)具有親水性，其在水溶液中為伸展態；逐漸升溫，聚(N-異丙基丙烯酰胺)與水的水合氫鍵被削弱，分子內的異丙基之間的相互吸引力增強；若溫度在低臨界溶解溫度以上，氫鍵徹底斷裂，自身內部形成氫鍵使內部結構坍塌，由伸展態轉為球形結構，體積縮小約90％，此時聚(N-異丙基丙烯酰胺)具有疏水性。而當溫度再度恢復到低臨界溶解溫度以下時，聚(N-異丙基丙烯酰胺)也恢復為親水性結構。這種溫敏性行為具有可逆性。盡管目前一些研究在開發聚(N-異丙基丙烯酰胺)與碳納米管或石墨烯復合的人工智能材料，但大部分是利用其低臨界溶解溫度接近于人體溫度的原理，只能用于生物醫用微型機器人等方面，其使用范圍、受控窗口寬度、形變大小及速度，仍有待進一步提高。

鑒于此，有必要提供一種新的光熱刺激智能響應致動器薄膜及其制備方法，以解決現有技術的不足。

發明內容

本發明的目的之一，是提供一種光熱刺激智能響應致動器薄膜。本發明的光熱刺激智能響應致動器薄膜，能在更寬的溫度范圍內、分階段的產生較大形變，這種溫度刺激響應具有可逆性，特別適用于軟機器人、藥物輸送、電機和人造肌肉等光熱響應致動器。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種光熱刺激智能響應致動器薄膜，由上至下依次層疊布置的三層膜構成，第一層為聚N-異丙基丙烯酰胺的碳納米復合材料膜層，第二層為碳納米材料膜層，第三層為聚(N-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺)的碳納米復合材料膜層。

本發明的光熱刺激智能響應致動器薄膜的原理是：