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CN111825075B - 一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法 - Google Patents

一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法 Download PDF

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CN111825075B CN202010663588.4A CN202010663588A CN111825075B CN 111825075 B CN111825075 B CN 111825075B CN 202010663588 A CN202010663588 A CN 202010663588A CN 111825075 B CN111825075 B CN 111825075B
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Abstract

一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，属于驱动器制备技术领域。所述方法步骤如下：制备梯度刚度碳纳米管三维骨架结构：在800～900℃的管式炉中，通入碳源溶液，在氩气和氢气的载气氛围下，通过控制不同时间段的碳源溶液的进给速率，制备刚度呈现梯度分布的碳纳米管三维骨架结构；所述碳源溶液由二氯苯和二茂铁组成；将梯度刚度碳纳米管三维骨架结构浸泡在溶剂中，持续1‑10min，待液体充满整个梯度刚度碳纳米管三维骨架结构后，取出烘干使液体挥发即可。使用本发明方法制备的驱动器最大输出“推力”可达0.02～0.05MPa，响应时间为0.5～3秒，推动距离可达驱动器自身长度的1～5倍。

Description

一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备 方法
技术领域
本发明属于驱动器制备技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法。
背景技术
目前，开发能对外界刺激(如pH值，电流，温度，湿度等)做出反应的智能材料是人工智能领域和柔性机器人领域的重要课题。其中能实现溶剂驱动的材料受到了极大的重视，但目前的溶剂驱动器只有两类，其一是一维纤维状溶剂收缩驱动器，主要用于人工肌肉等领域；其二是二维面状溶剂弯曲驱动器，主要用于机械手等领域。但目前的溶剂驱动器很少能够实现三维的推力驱动，而“推力”在许多领域是必不可少的，溶剂驱动器在这一方面的缺失极大的限制了其广泛应用和人工智能的发展。
发明内容
本发明面向三维溶剂推力驱动器这一需求，提供一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，该方法解决了目前溶剂驱动器很难三维驱动这一难题，为溶剂驱动器的应用注入新的活力。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：制备梯度刚度碳纳米管三维骨架结构：在800～900℃的管式炉中，通入碳源溶液，在氩气和氢气的载气氛围下，通过控制不同时间段的碳源溶液的进给速率，每个时间段为0.5～8h，制备刚度呈现梯度分布的碳纳米管三维骨架结构；所述碳源溶液由二氯苯和二茂铁组成；
步骤二：将梯度刚度碳纳米管三维骨架结构浸泡在溶剂中，持续1-10min，待液体充满整个梯度刚度碳纳米管三维骨架结构后，取出烘干或自然晾干使液体挥发即可。
本发明相对于现有技术的有益效果为：使用本发明方法制备的驱动器最大输出“推力”可达0.02～0.05MPa，响应时间为0.5～3秒，推动距离可达驱动器自身长度的1～5倍，可根据不同工况需求输出脉冲式或持续的推力。
附图说明
图1为梯度刚度碳纳米管三维骨架结构实物图；
图2为梯度刚度碳纳米管三维骨架结构扫描电镜图；
图3为实施例1步骤二的梯度刚度碳纳米管三维骨架结构蒸发酒精，体积收缩后示意图；
图4为实施例1的梯度刚度碳纳米管三维骨架结构吸入液体后，推应力随时间的变化关系图；
图5为实施例1的梯度刚度碳纳米管三维骨架结构吸入液体后，推应力随推动距离的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：制备梯度刚度碳纳米管三维骨架结构：在800～900℃的管式炉中，通入碳源溶液，在氩气和氢气的载气氛围下，通过控制不同时间段的碳源溶液的进给速率，每个时间段为0.5～8h，制备刚度呈现梯度分布的碳纳米管三维骨架结构；所述碳源溶液由二氯苯和二茂铁组成；
步骤二：将梯度刚度碳纳米管三维骨架结构浸泡在溶剂中，持续1-10min，待液体充满整个梯度刚度碳纳米管三维骨架结构后，取出烘干或自然晾干使液体挥发即可。挥发后，低刚度区域的碳纳米管三维骨架会出现大幅度的体积收缩，而高刚度区的体积则保持不变，获得可溶剂驱动的碳纳米管三维骨架结构。
步骤三：在晾干后的梯度刚度碳纳米管三维骨架结构上逐滴滴入液体(酒精，水，丙酮等)或直接浸入到液体中，低刚度区域的碳纳米管三维骨架会吸收液体而膨胀，在膨胀过程中，对其他紧挨的物体输出“推力”作用，通过设计制备碳纳米管三维骨架结构低刚度区与高刚度区的分布情况，来控制溶剂驱动的方向，从而实现基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤一中，所述二茂铁的含量为0.01～0.1g/ml。这个含量的碳源，能制备出杂质较小，产量较大的碳纳米管。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤一中，氩气和氢气的载气中，氢气含量10％～40％。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤一中，所述碳源溶液的进给速率为0.1～1ml/min。小于0.1的话，产量太少，高于1的话，产物里无定形碳等杂质过多。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤二中，所述梯度刚度碳纳米管三维骨架结构与溶剂的体积比为1：1～10。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤二中，所述溶剂能够进入碳纳米管三维骨架，且易于挥发。
具体实施方式七：具体实施方式六所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤二中，所述溶剂为酒精、水、丙酮、正己烷、己烷或乙醚中的一种或几种的混合溶剂。
具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，步骤二中，所述烘干的温度为25℃～80℃，时间为1～3h。
实施例1：
一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：在860℃的管式炉中，通入1.2L/min的氢氩混合气，碳源溶液为二氯苯和二茂铁(二茂铁含量0.04g/mol)，第一阶段碳源进给速率为0.6ml/min，持续1h，第二阶段碳源进给速率为0.1ml/min，持续1h，得到刚度梯度变化的碳纳米管三维骨架结构，如图1和2所示。
步骤二：将刚度梯度变化的碳纳米管三维骨架结构浸泡到酒精里，持续1min，然后60℃烘干60min，得到低刚度层体积收缩的碳纳米管三维骨架结构，如图3所示。
步骤三：将低刚度层体积收缩的碳纳米管三维骨架结构放置在试验台上，通过对碳纳米管低刚度区与高刚度区位置的设计，低刚度区在上，高刚度区在下，滴入酒精，低刚度层吸入液体开始膨胀，由于高刚度层的体积不发生变化，限制低刚度层的膨胀方向为沿着刚度梯度变化方向，从而实现定向输出“推力”。推应力随时间的变化关系如图4。响应时间为3秒，应力达到极值0.026兆帕后，降低至0.022兆帕，并保持稳定。推应力随推动距离的变化关系如图5。随着推动距离的增加，输出应力快速降低0.0067兆帕后，开始线性降低，最终推动距离是自身长度的1.8倍。
实施例2：
一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：在860℃的管式炉中，通入1.2L/min的氢氩混合气，碳源溶液为二氯苯和二茂铁(二茂铁含量0.04g/mol)，第一阶段碳源进给速率为0.6ml/min，持续1h，第二阶段碳源进给速率为0.1ml/min，持续1h，得到刚度梯度变化的碳纳米管三维骨架结构。
步骤二：将刚度梯度变化的碳纳米管三维骨架结构浸泡到酒精里，持续5min，然后25℃烘干3h，得到低刚度层体积收缩的碳纳米管三维骨架结构。
步骤三：将低刚度层体积收缩的碳纳米管三维骨架结构放置在试验台上，设计其不同刚度碳纳米管区域位置，将低刚度区设计在高刚度区的右上角，滴入酒精，低刚度层吸入液体开始膨胀，由于高刚度层的体积不发生变化，限制低刚度层的膨胀方向为沿着刚度梯度变化方向，从而实现定向输出“推力”。

Claims (8)

1.一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：制备梯度刚度碳纳米管三维骨架结构：在800～900℃的管式炉中，通入碳源溶液，在氩气和氢气的载气氛围下，通过控制不同时间段的碳源溶液的进给速率，每个时间段为0.5～8h，制备刚度呈现梯度分布的碳纳米管三维骨架结构；所述碳源溶液由二氯苯和二茂铁组成；
步骤二：将梯度刚度碳纳米管三维骨架结构浸泡在溶剂中，持续1-10min，待液体充满整个梯度刚度碳纳米管三维骨架结构后，取出烘干或自然晾干使液体挥发即可。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述二茂铁的含量为0.01～0.1g/ml。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤一中，氩气和氢气的载气中，氢气含量10％～40％。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述碳源溶液的进给速率为0.1～1ml/min。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述梯度刚度碳纳米管三维骨架结构与溶剂的体积比为1：1～10。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述溶剂能够进入碳纳米管三维骨架，且易于挥发。
7.根据权利要求6所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述溶剂为酒精、水、丙酮、正己烷、己烷或乙醚中的一种或几种的混合溶剂。
8.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管三维骨架结构的溶剂推力驱动器的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述烘干的温度为25℃～80℃，时间为1～3h。
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