一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜及其制备方法。柔性膜包括蒙脱石单层膜，所述蒙脱石单层膜的一表面旋涂有季铵盐表面活性剂层。一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，首先将纳米蒙脱石分散液通过浇注法制备蒙脱石单层膜，紧接着在其表面旋涂季铵盐表面活性剂溶液，干燥后得到非对称型双层薄膜，即具有非对称结构的柔性膜。本发明通过合成和设计具有特定材料组成和非对称结构特点的双层结构薄膜，获得了对氨气、二氧化碳等气体产生刺激源响应的柔性驱动材料，本发明的非对称型双层薄膜具有制备方法简单，原料成本低，具有对不同气体介质刺激响应区分度大等优点。

权利要求

1.一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜，其特征在于：包括蒙脱石单层膜，所述蒙脱石单层膜一表面旋涂有季铵盐表面活性剂层。

2.如权利要求1所述的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，其特征在于：首先将纳米蒙脱石分散液通过浇注法制备蒙脱石单层膜，紧接着在其表面旋涂季铵盐表面活性剂溶液，干燥后得到非对称型双层薄膜，即在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜；通过浇注法制备蒙脱石单层膜过程如下：在培养皿中加入一定量的上述纳米蒙脱石分散液，然后干燥得到覆盖在培养皿底部的蒙脱石单层膜。

3.如权利要求2所述的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，其特征在于：纳米蒙脱石分散液的制备方法如下：按照一定的质量含量，将蒙脱石分散在水中，室温下磁力搅拌一段时间，以一定的转速离心一段时间去掉下层蒙脱石，收集上层完全被剥离的纳米蒙脱石分散液，并经过稀释处理，使得纳米蒙脱石分散液的浓度为2‑

4wt%。

4.如权利要求2所述的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，其特征在于：季铵盐表面活性剂溶液的制备方法如下：称取一定质量的季铵盐表面活性剂于烧杯中，紧接着加入一定量的乙醇，搅拌直至完全溶解，得到8.0‑9.5wt%的季铵盐表面活性剂溶液。

5.如权利要求4所述的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，其特征在于：向得到的季铵盐表面活性剂溶液中加入0.1‑0.3 wt%亚甲基蓝或罗丹明B对溶液调色。

6.如权利要求2所述的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，其特征在于：季铵盐表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵或\和十八烷基三甲基氯化铵。

7.如权利要求2所述的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，其特征在于：旋涂季铵盐表面活性剂溶液过程如下：将一定量的上述季铵盐表面活性剂溶液分步旋涂在蒙脱石膜上，每次旋涂量不超过2mL，旋涂后在40‑50℃条件下进行干燥，然后进行下一次的季铵盐溶液旋涂，直至所有季铵盐表面活性剂溶液全部旋涂完毕，在一定温度条件下进行干燥，直到膜将要脱落为止，然后将膜从培养皿中剥离，即得到一侧为蒙脱石，另一侧为季铵盐表面活性剂的非对称型双层薄膜，即具有非对称结构的柔性膜。

说明书

一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜及其制

备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及响应材料技术领域，尤其涉及一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜及其制备方法。

背景技术

[0002] 柔性智能材料在光、热、溶剂气体、电或磁场等外界刺激下能产生特定的形变响应，从而在传感器、软机器人、人造肌肉等领域展现出巨大的应用前景。其中环境中的气体是最常见的刺激源之一，气体与柔性材料发生物质交换进而诱导柔性材料的不对称溶胀或去溶胀,从而产生记忆型形变功能。在能驱动柔性材料的气体中，水蒸气的刺激研究最为常见，其次是挥发性溶剂的气体，如乙醇、异丙醇、四氯化碳，四氢呋喃、丙酮等。

[0003] 在柔性材料的气体驱动研究中，还存在不少空白，如目前的刺激源还局限于湿度和有机溶剂，对于一些常见的非溶剂性气体，如氨气、二氧化碳的刺激响应驱动，研究工作者还未曾涉及。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜及其制备方法，能够对氨气、二氧化碳等气体源产生刺激响应。

[0005] 本发明的一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜，包括蒙脱石单层膜，所述蒙脱石单层膜一表面旋涂有季铵盐表面活性剂层。

[0006] 一种在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜的制备方法，首先将纳米蒙脱石分散液通过浇注法制备蒙脱石单层膜，紧接着在其表面旋涂季铵盐表面活性剂溶液，干燥后得到非对称型双层薄膜，即在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜。

[0007] 进一步的，纳米蒙脱石分散液的制备方法如下：按照5wt％的质量含量，将蒙脱石分散在水中，室温下磁力搅拌一周后，以4000r/min的转速离心8min去掉下层蒙脱石，收集上层完全被剥离的纳米蒙脱石分散液，并经过稀释处理，使得纳米蒙脱石分散液的浓度为2‑4wt％。

[0008] 进一步的，季铵盐表面活性剂溶液的制备方法如下：称取一定质量的季铵盐表面活性剂于烧杯中，紧接着加入一定量的乙醇，搅拌30min后直至完全溶解，得到8.0‑9.5wt％的季铵盐表面活性剂溶液。

[0009] 进一步的，向得到的季铵盐表面活性剂溶液中加入0.1‑0.3wt％亚甲基蓝或罗丹明B对溶液调色。

[0010] 进一步的，季铵盐表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵或\和十八烷基三甲基氯化铵。

[0011] 进一步的，通过浇注法制备蒙脱石单层膜过程如下：在培养皿中加入一定量的上述纳米蒙脱石分散液，然后干燥得到覆盖在培养皿底部的蒙脱石单层膜。

[0012] 进一步的，旋涂季铵盐表面活性剂溶液过程如下：将一定量的上述季铵盐表面活性剂溶液分步旋涂在蒙脱石膜上，每次旋涂量不超过2mL，旋涂后在40‑50℃条件下进行干燥，然后进行下一次的季铵盐溶液旋涂，直至所有季铵盐表面活性剂溶液全部旋涂完毕，在一定温度条件下进行干燥，直到膜将要脱落为止，然后将膜从培养皿中剥离，即得到一侧为蒙脱石，另一侧为季铵盐表面活性剂的非对称型双层薄膜，即在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜。

[0013] 为了突破柔性智能材料在非溶剂性气体(如氨气、二氧化碳等)领域中的形变响应，进一步扩展其在传感器和柔性机器人等领域中的应用范围，本发明通过合成和设计具有特定材料组成和非对称结构特点的双层结构薄膜，获得了对氨气、二氧化碳等气体产生刺激源响应的柔性驱动材料。

[0014] 本发明所制备的在氨气和二氧化碳刺激下产生驱动响应的柔性膜，为非对称型双层薄膜，一侧采用来源丰富的具有层状结构的蒙脱石粘土材料，另一侧采用季铵盐表面活性剂(如十六烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基氯化铵，十八烷基三甲基溴化铵，十八烷基三甲基氯化铵等)材料。其中一侧的蒙脱石为2：1型粘土，具有水化能力强，对水分子吸附+性好的特点，而且蒙脱石(铝硅酸盐片层)带负电，对阳离子NH4 具有良好的吸附性，可以作为对氨气刺激产生反应的活性层。而另一侧的季铵盐表面活性剂，因官能团胺与CO2间具有良好的相互作用力，对CO2具有良好的吸附性、选择性和安全性等特点，可以作为对CO2刺激产生反应的活性层。该薄膜在不同气体环境下能产生不同方向不同程度的弯曲变形。

[0015] 本发明的非对称型双层薄膜具有制备方法简单，原料成本低，具有对不同气体介质刺激响应区分度大等优点。

[0016] 而且为了加强对柔性膜两侧的辨识度，同时不降低柔性膜对二氧化碳的刺激响应性，在季铵盐表面活性剂溶液中加入少许含有官能团胺的染料，如亚甲基蓝或罗丹明B，使得膜的季铵盐表面活性剂侧为蓝色或红色，与另一侧蒙脱石层的乳白色或灰白色形成了颜色差异，同时不降低有机胺侧面对CO2的刺激响应活性。

附图说明

[0017] 图1为实施例1制备的非对称型双层薄膜在NH3中响应速度图；

[0018] 图2为实施例1制备的非对称型双层薄膜在CO2中响应速度图；

[0019] 图3为实施例2制备的非对称型双层薄膜在NH3中响应速度图；

[0020] 图4为实施例2制备的非对称型双层薄膜在CO2中响应速度图。

具体实施方式

[0021] 以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

[0022] 本实施例采用的氨气刺激响应实验和二氧化碳刺激响应实验方法如下：

[0023] 氨气刺激响应实验方法：将制备的非对称型双层膜剪裁成20mm×4mm的长条状。准备透明塑料瓶，将条形锡箔纸一端粘贴于瓶盖，然后将长条状薄膜粘贴于锡箔纸另一端。将氨水盛于瓶中，氨水体积占瓶容积的三分之一，然后盖上瓶盖，使条状薄膜悬挂在氨水液面上方，观察条状薄膜在氨气刺激下发生的弯曲变化。

[0024] 二氧化碳刺激响应实验方法:将制备的非对称型双层膜剪裁成20mm×4mm的长条状。准备三口烧瓶，将条形锡箔纸一端粘贴于橡皮塞，然后将长条状薄膜粘贴于锡箔纸另一端。在烧瓶一侧缓慢通入二氧化碳约10分钟，中间瓶口放上橡皮塞，观察条状薄膜在二氧化碳刺激下发生的弯曲变化。

[0025] 实施例1

[0026] 纳米蒙脱石分散液的制备：按照5wt％的质量含量，将蒙脱石分散在水中，室温下磁力搅拌一周后，以4000r/min的转速离心8min去掉下层蒙脱石，收集上层蒙脱石悬浮液，可得均匀分散的2wt％纳米蒙脱石分散液。

[0027] 在直径为8.6cm的培养皿中加入12.5g上述纳米蒙脱石分散液，然后在40℃条件下干燥6h，得到覆盖在培养皿底部的蒙脱石单层膜。称取1.9g十六烷基三甲基溴化铵固体于烧杯中，紧接着加乙醇至20.0g，然后加入0.1wt％亚甲基蓝，完全溶解后得到9.5wt％的十六烷基三甲基溴化铵溶液。将2.63g浓度为9.5wt％的十六烷基三甲基溴化铵溶液分次旋涂在培养皿中的蒙脱石膜表面，一次旋涂不超过2mL，每次旋涂后在40℃下干燥2mins，再旋涂下一次的十六烷基三甲基溴化铵溶液，旋涂完毕后，在60℃下完全烘干，然后从培养皿中分离出该双层膜。

[0028] 如图1所示，所制备的非对称型双层薄膜在空气中，向十六烷基三甲基溴化铵侧弯曲，弯曲角度为22°，然后采用氨气刺激响应实验方法，将其放入NH3中，发现继续向十六烷基三甲基溴化铵侧弯曲，经过3s后，达到最大弯曲角度，其弯曲角度为62°。根据实验测试可得，所制备的非对称型双层薄膜在NH3中响应速度快，弯曲明显。

[0029] 如图2所示，所制备的非对称型双层薄膜在空气中，向十六烷基三甲基溴化铵侧弯曲，弯曲角度记为‑18°，然后采用二氧化碳刺激响应实验方法，将其放入CO2中，向蒙脱石侧弯曲，经过28s后，达到最大弯曲角度，其弯曲角度为54°。根据实验测试可得，所制备的非对称型双层薄膜在CO2中，弯曲角度大，实验现象明显。

[0030] 实施例2

[0031] 纳米蒙脱石分散液的制备：按照5wt％的质量含量，将蒙脱石分散在水中，室温下磁力搅拌一周后，以4000r/min的转速离心8min去掉下层蒙脱石，收集上层蒙脱石悬浮液，可得均匀分散的4wt％纳米蒙脱石分散液。

[0032] 在直径为8.6cm的培养皿中加入6.25g上述纳米蒙脱石分散液，然后在40℃条件下干燥2h，得到覆盖在培养皿底部的蒙脱石单层膜。称取1.6g十八烷基三甲基氯化铵固体于烧杯中，紧接着加乙醇至20.0g，然后加入0.3wt％亚甲基蓝，完全溶解后得到8.0wt％的十八烷基三甲基氯化铵溶液。将3.13g浓度为8.0wt％十八烷基三甲基氯化铵溶液分次旋涂在培养皿中的蒙脱石膜表面，一次旋涂不超过2mL，每次旋涂后在40℃下干燥2mins，再旋涂下一次的十八烷基三甲基氯化铵溶液，旋涂完毕后，在60℃下完全烘干，然后从培养皿中分离出该双层膜。

[0033] 如图3所示，所制备的非对称型双层薄膜在空气中，向十八烷基三甲基氯化铵侧弯曲，弯曲角度为5°，然后采用氨气刺激响应实验方法，将其放入NH3中，继续向十八烷基三甲基氯化铵侧弯曲，经过12s后，达到最大弯曲角度，其弯曲角度为62°。根据实验测试可得，所制备的非对称型双层薄膜在NH3中响应速度快，弯曲度明显。

[0034] 如图4所示，所制备的非对称型双层薄膜在空气中，弯曲角度为0°，然后采用二氧化碳刺激响应实验方法，将其放入CO2中，发现其向蒙脱石侧弯曲，经过48s后，达到最大弯曲角度，其弯曲角度为90°。根据实验测试可得，所制备的非对称型双层薄膜在CO2中弯曲明显。

[0035] 以上未涉及之处，适用于现有技术。

[0036] 虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。