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多响应型驱动材料的变形行为及机理研究

张雨欣  
【摘要】:智能软物质驱动材料主要指对外界刺激(例如化学场、电磁场、机械力、温度等)能够感应并产生不同程度的形变效果,从而体现出驱动性的一类材料。通常这类材料都具有价格低廉、质量轻、变形大、响应速度快等优点。基于应力差异产生形变和驱动的智能软材料在软体机器人、智能传感器、仿生驱动器、人工肌肉等领域具有广泛的应用前景。但是就目前的研究而言,能够在多重刺激环境中产生响应变形和驱动的材料还为数不多,此外,传统的智能软材料的制备方法不能进行简单、可控的图案化设计,要获得具有特定形状的智能响应驱动器还需要将智能软材料进行后期加工。因此,制备具有多重刺激响应性能的智能软材料是其实际应用的迫切需要,此外,为了满足智能软材料驱动器的图案化可控设计,需要采用与电脑设计相联系的方法,现有的3D打印和激光打印技术正好满足这个需求。针对上述两个亟待解决的问题,本论文所做的研究内容和研究结果如下:(1)多响应型PNIPAM-Fe3O4/PDMS复合薄膜的变形行为及机理研究。采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)作为基底材料,并在基底PDMS中复合光热剂Fe3O4纳米颗粒,再利用表面引发自由基聚合反应在其表面修饰温度响应性聚合物刷聚异丙基丙烯酰胺(Poly(N-isopropylacrylamide),PNIPAM),从而制备得到PNIPAM-Fe3O4/PDMS复合薄膜,并研究了其在近红外光、温度、磁场、有机蒸气作用下的响应变形及驱动行为。研究发现,PNIPAM-Fe3O4/PDMS复合薄膜在近红外光、温度、磁场、有机溶剂蒸气的多重刺激作用下具有良好的响应变形和驱动行为。此外,利用PNIPAM-Fe3O4/PDMS复合薄膜的近红外光响应驱动性质,制作了仿日晷式驱动器件与智能遮光板,以及利用PNIPAM-Fe3O4/PDMS复合薄膜的多重刺激响应性能,制备了一种近红外光、磁场双重响应的货物运输系统。这些模拟应用表明PNIPAM-Fe3O4/PDMS复合薄膜在智能驱动方面具有潜在的应用价值。(2)3D打印梯度交联水凝胶的变形行为及机理研究。采用聚乙二醇二丙烯酸酯600(Polyethylene glycol diacrylate 600,PEGDA600)作为主体材料,在其中加入稀释剂、交联剂、光敏剂、光阻剂以及染料等形成水凝胶前驱体墨水,利用3D灰度打印的方法将其打印成为梯度交联水凝胶成品,并研究了其吸水溶胀的性能。根据这一性能以及3D打印的可控设计与制备,制作了不同形状的变形样品以及仿含羞草器件、模拟湿度报警器。这些模拟应用表明3D打印梯度交联水凝胶在智能驱动方面具有潜在的应用价值。(3)激光打印多响应型墨粉/聚乙烯复合薄膜的变形行为及机理研究。采用具有较高热膨胀率的聚乙烯薄膜以及商用墨粉,利用激光打印的方法制备了墨粉/聚乙烯复合薄膜。并研究了其在近红外光、温度、磁场、有机蒸气作用下的响应变形及驱动行为。研究发现,墨粉/聚乙烯复合薄膜在近红外光、温度、磁场、有机溶剂蒸气的多重刺激作用下具有良好的响应变形和驱动行为。由于激光打印简单快速以及表面的图案设计可控的特点,在双层智能软材料驱动器的制备方面具有广阔的应用前景。


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