一种响应速度超快的电热驱动器及其制备方法

摘要

一种响应速度超快的电热驱动器，由高分子薄膜和附着于高分子薄膜上的银纳米线/粘结剂层构成双层结构，在双层结构一端的银纳米线/粘结剂层上涂覆有导电电极用于连接导线，并且由涂覆了导电电极的一端沿纵向从中间剪裁开形成U形；本发明将具有优异导电性的银纳米线与具有很大热膨胀系数的高分子薄膜结合起来，通过粘结剂的作用形成双层电热驱动器，本发明解决了电热驱动器响应慢和驱动电压高的问题，所制备的混合银纳米线电热驱动器具有优异的响应速度，弯曲360°仅需要0.08s，驱动电压仅需1V。

权利要求

1.一种响应速度超快的电热驱动器的制备方法，其特征在于，所述电热驱动器由高分子薄膜和附着于高分子薄膜上的银纳米线/粘结剂层构成双层结构，在双层结构一端的银纳米线/粘结剂层上涂覆有导电电极用于连接导线，并且由涂覆了导电电极的一端沿纵向从中间剪裁开形成U形；

所述粘结剂为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠中的一种或两种以上任意比例的混合物；

所述银纳米线直径为18‑200nm，长度为1‑200μm；

所述银纳米线为粗银纳米线和细银纳米线质量比12：1的混合物，所述粗银纳米线直径为150nm，长度为4.1μm，细银纳米线直径为22nm，长度为1.0μm；

所述电热驱动器的制备方法为：

(1)将粘结剂溶液与银纳米线溶液混合，得到混合液；

(2)将高分子薄膜覆盖在基板上，用紫外线臭氧处理10min，将步骤(1)所得混合液涂覆在高分子薄膜上，干燥后从基板上剥离复合薄膜，并切成所需的形状和尺寸，在薄膜一端的银纳米线/粘结剂层上面涂覆导电电极用于连接导线，将薄膜由涂覆了导电电极的一端沿纵向从中间剪开形成U形，得到所述电热驱动器。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双层结构中，高分子薄膜的厚度为

1‑20μm，银纳米线/粘结剂层的厚度为100nm‑2μm。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子薄膜的材质为线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂与银纳米线的质量比为0.1‑

10：1。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述粘结剂溶液的浓度为

0.001‑10wt％，溶剂为水、乙醇、甲醇、聚丙烯醇中的一种或两种以上任意比例的混合溶剂。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述银纳米线溶液的浓度为

0.1‑25mg/mL，溶剂为水、乙醇、甲醇、聚丙烯醇中的一种或两种以上任意比例的混合溶剂。

说明书

一种响应速度超快的电热驱动器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于电热驱动领域，涉及一种响应速度超快的电热驱动器及其制备方法。

背景技术

[0002] 驱动器是智能开关、智能机器人以及智能装备中的关键控制元件，对智能系统内部指令的执行起到核心作用。随着智能机器人以及智能系统的快速发展与普及，对于驱动
器的要求越来越高，需要同时具备快的响应速度、大的形变量、高的能量转换效率。电热驱
动器是将电能转换为热能，利用材料热膨胀系数的差异驱动材料发生形变的驱动器件。电
热驱动器制备简单，可控性强，形变量大，能量转换效率较高。但是，电热驱动器的响应速度
慢，一般在1‑20秒之间，严重影响了电热驱动器在智能系统中的应用。

[0003] 一般电热驱动是利用导电层和基底的热膨胀系数不同，在导电层通电发热时引起导电层和基底的变形不同造成弯曲，通常导电层包括碳纳米管、金属镀层、石墨烯等(例如
CN110183704A、CN108284430A、CN106739236B)，以增加电热驱动器的导电性，提升电热驱动
器的响应速度；通过选择和导电层热膨胀系数差异大的基底，以增加电热驱动器的弯曲角
度，提升驱动效果。但是这些电热驱动器或者响应速度慢，或者驱动电压高，因此总体的电
热驱动性能仍然达不到实用要求。因此，迫切需要研发新型电热驱动器，使其兼具高的响应
速度和低的驱动电压，确保其具有优异的电热驱动性能。

发明内容

[0004] 针对现有电热驱动器存在的问题，本发明提供了一种响应速度超快的电热驱动器及其制备方法，该电热驱动器具有响应速度快、形变量大和能量转换效率高的特点，驱动性
能优异。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种响应速度超快的电热驱动器，由高分子薄膜和附着于高分子薄膜上的银纳米线/粘结剂层构成双层结构，在双层结构一端的银纳米线/粘结剂层上涂覆有导电电极用于
连接导线，并且由涂覆了导电电极的一端沿纵向从中间剪裁开形成U形；

[0007] 进一步：

[0008] 所述电热驱动器的长度为1‑20cm，宽度为0.1‑20cm，U形结构未剪裁部分长度为0.1‑10cm；

[0009] 所述双层结构中，高分子薄膜的厚度为1‑20μm，银纳米线/粘结剂层的厚度为100nm‑2μm；

[0010] 所述高分子薄膜的材质为线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯或纸；

[0011] 所述粘结剂为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述粘结剂与银
纳米线的质量比为0.1‑10：1；

[0012] 所述银纳米线直径为18‑200nm，长度为1‑200μm；更为优选的，所述银纳米线为粗银纳米线和细银纳米线质量比12：1的混合物，所述粗银纳米线直径为150nm，长度为4.1μm，
细银纳米线直径为22nm，长度为1.0μm。

[0013] 本发明所述电热驱动器的制备方法为：

[0014] (1)将粘结剂溶液与银纳米线溶液混合，得到混合液；

[0015] 所述粘结剂溶液的浓度为0.001‑10wt％，溶剂为水、乙醇、甲醇、聚丙烯醇中的一种或两种以上任意比例的混合溶剂；

[0016] 所述银纳米线溶液的浓度为0.1‑25mg/mL，溶剂为水、乙醇、甲醇、聚丙烯醇中的一种或两种以上任意比例的混合溶剂；

[0017] (2)将高分子薄膜覆盖在基板(例如：有机玻璃)上，用紫外线臭氧处理10min，将步骤(1)所得混合液涂覆在高分子薄膜上，干燥后从基板上剥离复合薄膜，并切成所需的形状
和尺寸，在薄膜一端的银纳米线/粘结剂层上面涂覆导电电极用于连接导线，将薄膜由涂覆
了导电电极的一端沿纵向从中间剪开形成U形，得到所述电热驱动器；

[0018] 所述混合液的涂覆可采用刮涂、旋涂或喷涂；

[0019] 所述导电电极为银、铜或铟镓合金。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0021] 本发明将具有优异导电性的银纳米线与具有很大热膨胀系数的高分子薄膜结合起来，通过粘结剂的作用形成双层电热驱动器。本发明解决了电热驱动器响应慢和驱动电
压高的问题，所制备的混合银纳米线电热驱动器具有优异的响应速度，弯曲360°仅需要
0.08s，驱动电压仅需1V。目前文献及专利中尚无响应速度在0.1秒以内的电热驱动器的报
道。

[0022] 本发明电热驱动器响应速度快、形变量大、能量转换效率高，且本发明方法简单易行、成本低，可以批量生产。

附图说明

[0023] 图1为实施例4的混合银纳米线薄膜横截面的扫描电镜图，从图中可以看出，实施例4的混合银纳米线柔性导电薄膜的厚度约为0.6μm。

[0024] 图2为实施例4的混合银纳米线/线性低密度聚乙烯电热驱动器的制备流程图。

[0025] 图3为实施例4的混合银纳米线/线性低密度聚乙烯电热驱动器的性能比对图，从图中可以看出，实施例4的混合银纳米线/超薄线性低密度聚乙烯电热驱动器具有优异的响
应速度，在驱动电压为1V下，弯曲360°仅需要0.08s。

具体实施方式

[0026] 下面通过具体实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

[0027] 实施例1：

[0028] 将新制的AgNO3(0.9g)添加到20mL的乙二醇中，并在4‑8℃的冰水浴中超声混合5‑6分钟直至完全溶解。将CuCl2·2H2O(0.0132g)溶于16mL乙二醇。将PVP(K30，0.421g)和PVP
(K90，0.406g)溶解在115mL乙二醇中，并在130℃加热25分钟以达到完全溶解，然后在油浴
中的250mL烧瓶中加热至140℃。随后，在5分钟内将3.2mL CuCl2溶液和20mL AgNO3溶液滴加
到PVP溶液中。反应保持50分钟。反应完成后，将烧瓶从油浴中移出并将溶液淬灭至室温，所
得产物为粗银纳米线粗品。

[0029] 实施例2：

[0030] 在乙二醇中制备(A)220.0mM NaBr，(B)210.0mM NaCl和(C)505.0mM PVP K90。依次将乙二醇(116mL)，溶液A(1mL)，溶液B(2mL)，溶液C(15mL)和新鲜的AgNO3(0.6765g在
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15mL乙二醇中)添加到250mL烧瓶中在室温下的油浴中。然后将溶液以300rpm min 机械搅
拌30min。搅拌后，在20‑25分钟内将油浴的温度缓慢升至180℃。同时，在加热过程中，将氮
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气(150mL min )引入溶液中。当温度达到180℃时，关闭氮气并将油浴的温度设定为170℃。
10分钟后，停止搅拌并将反应保持1小时。反应完成后，将烧瓶从油浴中移出并将溶液在水
中冷却至室温，所得产物为细银纳米线粗品。

[0031] 实施例3：

[0032] 粗银纳米线粗品和细银纳米线粗品均通过动态搅拌诱导的离心纯化进行纯化。将制得的银纳米线粗品与去离子水混合，然后倒入带有孔(8μm)的过滤膜式圆筒室中，机械搅
拌器的最高速度设置为900rpm，带有六孔搅拌桨。去离子水连续流入过滤装置，以补偿去除
的滤液溶液并保持进料溶液中稳定的银纳米线浓度。在纯化(60分钟)之后，停止去离子水
的连续添加，同时搅拌和冲洗继续以将溶液浓缩至所需的银纳米线浓度。从基于过滤膜的
圆筒室的底部收集纯化的银纳米线。

[0033] 实施例4：

[0034] 本实施例的粗银纳米线直径为150nm，长度为4.1μm，细银纳米线直径为22nm，长度‑6 ‑1
为1.0μm，线性低密度聚乙烯(LLDPE)热膨胀系数为502.7×10 K ，粗银纳米线与细银纳米
线的质量比为12：1，粘结剂羟丙基甲基纤维素水溶液的浓度为10mg/mL，粗细混合银纳米线
溶液的溶剂为去离子水，银纳米线溶液的总浓度为2.1mg/mL。粘结剂溶液与银纳米线溶液
的体积比为1：4。将线性低密度聚乙烯覆盖在有机玻璃上，然后用紫外线臭氧处理10分钟。
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使用自动涂布机在线性低密度聚乙烯基底上以120mm s 的涂布速度制备混合的银纳米线
薄膜。将涂膜在大气中于60℃干燥5分钟。从基板上剥离银纳米线/线性低密度聚乙烯膜，并
切成所需的形状和尺寸。用导电银浆将铜线连接到加热器的两端，以连接到电源，即得混合
银纳米线/超薄线性低密度聚乙烯电热驱动器。

[0035] 所得电热驱动器的长度为5.0cm，宽度为1.0cm，U形结构未剪裁部分长度为0.5cm，线性低密度聚乙烯膜的厚度为8.9μm，银纳米线/粘结剂层的厚度为0.6μm。

[0036] 实施例5：

[0037] 本实施例的粗银纳米线直径为150nm，长度为4.1μm，细银纳米线直径为22nm，长度‑6 ‑1
为1.0μm，聚酰亚胺(PI)热膨胀系数为20.0×10 K ，粗银纳米线与细银纳米线的质量比为
12：1，粘结剂羟丙基甲基纤维素水溶液的浓度为10mg/mL，粗细混合银纳米线溶液的溶剂为
去离子水，银纳米线溶液的总浓度为2.1mg/mL。粘结剂溶液与银纳米线溶液的体积比为1：
5。将聚酰亚胺覆盖在有机玻璃上，然后用紫外线臭氧处理10分钟。使用自动涂布机在聚酰
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亚胺基底上以120mm s 的涂布速度制备混合的银纳米线薄膜。将涂膜在大气中于60℃干燥
5分钟。从基板上剥离银纳米线/聚酰亚胺膜，并切成所需的形状和尺寸。用导电银浆将铜线
连接到加热器的两端，以连接到电源，即得混合银纳米线/聚酰亚胺电热驱动器。

[0038] 所得电热驱动器的长度为5.0cm，宽度为1.0cm，U形结构未剪裁部分长度为0.5cm，聚酰亚胺膜的厚度为8.9μm，银纳米线/粘结剂层的厚度为0.6μm。

[0039] 对比例(CN110183704A)

[0040] 将油墨均匀涂布在PET膜的一面上。油墨是由炭黑(3‑5％)，聚氨酯(30％)溶解在乙酸乙酯和丙酮(20％/80％)的混合溶剂中制备而成。油墨层厚度为1.2μm。通过化学气相
沉积在硅片上生长的SACNT薄膜，厚度为249μm，碳纳米管直径约为10nm，壁数为9。用刀片从
SACNT薄膜拉出碳纳米管阵列，取30层铺设在pet膜的另一侧，形成SACNT层，然后用无水乙
醇浸润SACNT薄膜，使其致密化。

[0041] 通过对比可知，本发明的制备工艺更为简单易行，且成本低，制得的电热驱动器响应速度优异。

[0042] 以上详细描述了本发明的较佳实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。凡本技术领域中技术人员依本发
明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的实验与技术
方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。