CN112320811B - 一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法，步骤为：称取蒙脱土分散在水中，室温下磁力搅拌制备剥离型蒙脱土悬浮液，并加入去离子水，搅拌、超声，得到纳米蒙脱土分散液；称取蒙脱土分散在水中，搅拌，获得蒙脱土悬浮液，并量取季铵盐溶液加入到蒙脱土悬浮液中，加热和搅拌，然后自然冷却至室温，抽滤洗涤、干燥后得到疏水性有机蒙脱土，将有机蒙脱土与乙醇混合，搅拌、超声，得到有机蒙脱土分散液；先对纳米蒙脱土分散液进行真空抽滤，然后加入有机蒙脱土分散液继续进行真空抽滤，抽滤完成后，干燥，即得到蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料。本发明提供的制备方法简单、原料成本低。

Description

一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法

技术领域

本发明涉及响应材料技术领域，尤其涉及一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法。

背景技术

近年来，由湿度刺激响应材料所制备的湿度响应驱动器(也称湿度执行器或致动器)，在医疗器械、仿生机器人、传感器、可穿戴器件、电子皮肤、以及其它人工智能技术等领域受到越来越多的关注。湿度响应材料是对湿度刺激能产生自适应响应的一类柔性湿敏材料，即通过快速、可逆、可控的形状变化将湿度刺激转换为可视化形变和运动，达到弯曲、抓取、抬高及移动等效果。高性能湿度刺激响应材料是提高湿度响应驱动器竞争力的关键。但迄今为止，受限于组成材料自身的成分及其结构和界面强度等，这些驱动材料在制备成本、驱动效率、机械稳定性等方面还存在严重不足，限制了软驱动材料的进一步发展与应用。因此发展低成本和高稳定性的驱动材料是发展高性能驱动器需要面临的重要问题。

湿度刺激响应薄膜可以分为两大类：对称结构薄膜和非对称结构薄膜。对称结构薄膜具有均一结构和成分，但局限于非均匀湿度场中才能产生响应。非对称结构薄膜的特点是两表面具有不同结构或成分，在均匀湿度场中就能产生响应，是湿度刺激驱动材料的重点研究对象。

现有的非对称湿度刺激响应材料主要包括亲水性聚合物、氧化石墨烯(GO)或二者的复合材料，如GO/RGO、GO/碳纳米管、GO/乙基纤维素和GO/PVDF等双层结构膜材料。这些膜材料存在成本高、工艺复杂或界面粘合差等问题。为了降低湿度刺激响应驱动材料的成本，研究者提出以亲水性强的层状蒙脱土来改性GO以降低成本、提高驱动性能，但目前利用层状蒙脱土制备的复合材料主要是结构均匀的对称性薄膜，对湿度场的要求较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法，利用该制备方法制得的材料具有较好的驱动稳定性。

本发明提供一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，制备纳米蒙脱土分散液：

称取蒙脱土分散在水中，室温下磁力搅拌7天，然后以4000-5000r/min的转速离心，去掉离心管底部蒙脱土，收集上层剥离型蒙脱土悬浮液，并加入少量去离子水，搅拌、超声，得到均匀分散的纳米蒙脱土分散液；

S2，制备疏水性有机蒙脱土：

称取蒙脱土分散在水中，搅拌，获得蒙脱土悬浮液；量取季铵盐溶液缓慢加入到蒙脱土悬浮液中，80℃下搅拌反应2-4h，然后自然冷却至室温，用去离子水抽滤洗涤，去除游离的季铵盐，然后烘干并研磨，即得到疏水性有机蒙脱土；

S3，制备有机蒙脱土分散液：

称取步骤S2制备的疏水性有机蒙脱土与乙醇混合，搅拌15分钟后超声15-30min，得到均匀分散的有机蒙脱土分散液；

S4，制备蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料：

对步骤S1得到的纳米蒙脱土分散液进行真空抽滤，然后加入步骤S3制得的有机蒙脱土分散液继续进行真空抽滤，抽滤完成后，干燥，即得到厚度15-25μm的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型薄膜材料；该蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料为一侧面亲水、另一侧面疏水的蒙脱土/有机蒙脱土双层薄膜。

进一步地，步骤S1中，蒙脱土的加入质量为水的质量的4％。

进一步地，步骤S2中，季铵盐选用十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、溴化十六烷基吡啶中的任一种，季铵盐溶液的质量分数为3wt％-5wt％。

进一步地，步骤S2中，季铵盐溶液中季铵盐的质量与使用的蒙脱土的质量比为3:5。

进一步地，步骤S4中，干燥的温度为60℃。

进一步地，步骤S4中，有机蒙脱土分散液中疏水性有机蒙脱土的质量与纳米蒙脱土分散液中蒙脱土的质量比为1:1。

本发明提供的方法利用季铵盐对蒙脱土进行插层改性，得到疏水性有机蒙脱土，再依次对纳米蒙脱土分散液和有机蒙脱土分散液进行真空抽滤，得到一侧面疏水、一侧面亲水的非对称层状结构薄膜材料。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：与现有技术中采用高成本有机亲水性聚合物或氧化石墨烯材料相比，本发明采用来源丰富的天然廉价粘土矿物材料蒙脱土为原料制得非对称结构湿度刺激响应型材料，制备方法简单、原料成本低；本发明制得的材料一侧面亲水，另一侧面疏水，且由于整体材料是蒙脱土，亲疏水界面处具有很好的相容性，使其具有较好的驱动稳定性，湿度刺激响应性能好，其厚度尺寸为15-25μm，可应用于湿度刺激响应的执行器领域。

附图说明

图1是实施例1制得的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的实物图。

图2是实施例1制得的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料在各湿度场条件下的弯曲变形示意图。

图3是实施例2制得的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料在各湿度场条件下的弯曲变形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备纳米蒙脱土分散液：

按照4wt％的质量含量称取蒙脱土分散在水中，室温下磁力搅拌7天后，以4000-5000r/min的转速离心，去掉离心管底部的蒙脱土，收集上层剥离型蒙脱土悬浮液，并加入少量去离子水，搅拌和超声后得到均匀分散的1.7wt％纳米蒙脱土分散液；

步骤S2，制备疏水性有机蒙脱土：

称取蒙脱土分散在水中，搅拌，获得蒙脱土悬浮液；配制质量分数为3wt％的十六烷基三甲基氯化铵溶液，按照十六烷基三甲基氯化铵与蒙脱土质量比3：5，将十六烷基三甲基氯化铵溶液缓慢加入到蒙脱土悬浮液中，80℃下搅拌反应3h，然后自然冷却至室温，用去离子水抽滤洗涤，烘干并研磨，得到疏水性有机蒙脱土；

步骤S3，制备有机蒙脱土分散液：

称取0.03g疏水性有机蒙脱土，通过搅拌和超声均匀分散在5mL乙醇中，得到有机蒙脱土分散液；

步骤S4，制备蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料：

在抽滤漏斗中先加入1.76g步骤S1制得的纳米蒙脱土分散液进行真空抽滤，抽滤完毕后，滤纸表面覆盖了蒙脱土膜；然后在抽滤漏斗中加入步骤S3的有机蒙脱土分散液继续进行真空抽滤，抽滤完成后，有机蒙脱土膜覆盖在蒙脱土膜的上方，将覆盖蒙脱土/有机蒙脱土双层膜的滤纸取出置于60℃烘箱中干燥12h，再从滤纸上将蒙脱土/有机蒙脱土双层膜剥离，即得到一侧面亲水、另一侧面疏水的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备纳米蒙脱土分散液：

按照4wt％的质量含量称取蒙脱土分散在水中，室温下磁力搅拌7天后，以4000-5000r/min的转速离心，去掉离心管底部的蒙脱土，收集上层剥离型蒙脱土悬浮液，并加入少量去离子水，搅拌和超声后得到均匀分散的1.7wt％纳米蒙脱土分散液；

步骤S2，制备疏水性有机蒙脱土：

称取蒙脱土分散在水中，搅拌，获得蒙脱土悬浮液；配置质量分数为5wt％的十六烷基三甲基溴化铵溶液，按照季十六烷基三甲基溴化铵与蒙脱土质量比3：5，将十六烷基三甲基溴化铵溶液缓慢加入到蒙脱土悬浮液中，80℃下搅拌反应2h，然后自然冷却至室温，用去离子水抽滤洗涤，烘干并研磨，得到疏水性有机蒙脱土；

步骤S3，制备有机蒙脱土分散液：

称取0.03g疏水性有机蒙脱土，通过搅拌和超声均匀分散在10mL乙醇中，得到有机蒙脱土分散液；

步骤S4，制备蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料：

在抽滤漏斗中先加入1.76g步骤S1制得的纳米蒙脱土分散液进行真空抽滤，抽滤完毕后，滤纸表面覆盖了蒙脱土膜；然后在抽滤漏斗中加入步骤S3的有机蒙脱土分散液继续进行真空抽滤，抽滤完成后，有机蒙脱土膜覆盖在蒙脱土膜的上方，将覆盖蒙脱土/有机蒙脱土双层膜的滤纸取出置于60℃烘箱中干燥12h，再从滤纸上将蒙脱土/有机蒙脱土双层膜剥离，即得到一侧面亲水、另一侧面疏水的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料。

湿度刺激测试实验方法：将实施例1和实施例2制备的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料剪裁成20mm×4mm的长条状；准备若干透明玻璃瓶，将条形锡箔纸一端粘贴于瓶盖，然后将长条状湿度刺激响应型材料粘贴于锡箔纸另一端；配制K₂CO₃、NaBr、NaCl、KNO₃饱和盐溶液，其对应的相对湿度分别为43.2％、57.6％、75.3％、93.6％，将K₂CO₃、NaBr、NaCl、KNO₃饱和盐溶液分别加入透明玻璃瓶中，盖上瓶盖，在湿度刺激下，透明玻璃瓶内的长条状湿度刺激响应型材料发生弯曲变形。

图1为实施例1制得的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的实物图，图1a为裁剪成条状的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料，图1b为将蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料粘贴于瓶盖上的示意图；图2为实施例1制得的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料在各湿度场条件下的弯曲变形示意图；图3为实施例2制得的蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料在各湿度场条件下的弯曲变形示意图。

图2a和图3a中透明玻璃瓶内盛放的溶液为K₂CO₃饱和盐溶液，图2b和图3b中透明玻璃瓶内盛放的溶液为NaBr饱和盐溶液，图2c和图3c中透明玻璃瓶内盛放的溶液为NaCl饱和盐溶液，图2d和图3d中透明玻璃瓶内盛放的溶液为KNO₃饱和盐溶液。

从图2和图3可以看出，湿度越大，蒙脱土质非对称结构湿度刺激响应型材料的弯曲程度越高。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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之内。

Claims (3)

1.一种蒙脱土质非对称结构材料在湿度刺激响应的执行器上的应用，其特征在于，所述蒙脱土质非对称结构材料的制备包括以下步骤：

S1，制备纳米蒙脱土分散液：

称取蒙脱土分散在水中，室温下磁力搅拌，然后以4000-5000r/min的转速离心，收集上层剥离型蒙脱土悬浮液，并加入去离子水，搅拌、超声，得到纳米蒙脱土分散液；蒙脱土的加入质量为水的质量的4%；

S2，制备疏水性有机蒙脱土：

称取蒙脱土分散在水中，搅拌，获得蒙脱土悬浮液；量取季铵盐溶液加入到蒙脱土悬浮液中，加热并搅拌，然后自然冷却至室温，抽滤洗涤、干燥、研磨，即得到疏水性有机蒙脱土；配制季铵盐溶液使用的季铵盐选用十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、溴化十六烷基吡啶中的任一种，季铵盐溶液的质量分数为3 wt%-5 wt%；

S3，制备有机蒙脱土分散液：

称取步骤S2制备的疏水性有机蒙脱土与乙醇混合，搅拌、超声，得到有机蒙脱土分散液；

S4，制备蒙脱土质非对称结构材料：

对步骤S1得到的纳米蒙脱土分散液进行真空抽滤，然后加入步骤S3制得的有机蒙脱土分散液继续进行真空抽滤，抽滤完成后，干燥，即得到蒙脱土质非对称结构材料。

2.根据权利要求1所述的蒙脱土质非对称结构材料在湿度刺激响应的执行器上的应用，其特征在于，步骤S2中，季铵盐溶液中季铵盐的质量与使用的蒙脱土的质量比为3:5。

3.根据权利要求1所述的蒙脱土质非对称结构材料在湿度刺激响应的执行器上的应用，其特征在于，步骤S4中，干燥的温度为60℃。