[发明专利]溶剂诱导可逆定向变形共轭高分子和碳纳米管复合薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种可逆定向变形共轭高分子和碳纳米管复合薄膜的制备方法。

背景技术

由于在光电器件，电动马达，传感器，压缩机等领域巨大的应用前景，智能响应型材料越来越受到学术界和工业界的关注。目前为止，研究最多的可变形人工肌肉高分子材料主要有水凝胶，液晶高分子和导电高分子等。其中，水凝胶作为驱动器的研究已经进行了半个世纪，但是它较低的响应速率和较大的应力集中效应严重限制了它的发展。液晶高分子是近几年发展迅速的一种驱动材料，它可以实现可逆的光致定向变形，但是较低的机械强度同样阻碍了它的发展。导电高分子是近十年来的新兴材料，但是作为驱动材料，它的响应速率，循环性能和能量转化效率仍需提高。除此之外，尽管水凝胶和导电高分子的制备方法简易，但是变形方向却难以控制；液晶材料虽然可以实现变形的可控性，但其常用的摩擦取向方法会对结构产生一定程度的破坏，并造成表面电荷累积，限制了高分子液晶的性能和应用。

另一方面，此类可变形有机高分子产生的驱动力通常较低，且驱动过程中会有明显的疲劳效应，使得单纯的高分子材料难以实现在机器人、微型马达等方面的实际应用。目前为止，一般通过复合另一种材料来解决上述问题，其中最常使用的便是碳纳米管。然而一般复合材料使用的碳纳米管通常是无规分散在高分子中，容易形成团聚，复合材料并不能产生很好的效果，机械强度只有几十兆帕。因此，我们亟需发明一种新的复合材料，在实现变形可控的同时，能达到较高的机械性能和可逆循环效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种力学性能和电学性能良好的溶剂诱导可逆定向变形共轭高分子和碳纳米管复合薄膜及其制备方法。

本发明提供的溶液诱导可逆定向变形共轭高分子和碳纳米管复合薄膜的制备方法，以高度共轭的聚乙炔衍生物作为研究模型，通过与高度取向的碳纳米管薄膜复合，碳纳米管的取向结构有效诱导高分子链沿着碳纳米管轴向取向，不需要其他取向层，基底为各向同性的柔性基底，制备了溶剂诱导可逆定向变形共轭高分子/碳纳米管复合材料。

本发明从化学气相沉积方法合成的碳纳米管阵列中直接纺出碳纳米管薄膜，铺覆在各向同性的柔性基底上，再与共轭高分子聚乙炔衍生物复合，形成双层结构的复合薄膜；该复合薄膜在有机溶剂中迅速平展，待溶剂挥发后，自动沿垂直碳纳米管轴向方向弯曲；该复合薄膜发生的可逆变形，可以重复上百次而没有明显的衰减和疲劳；且其变形能力可随高分子含量的增加而提高。另外，碳纳米管的引入大幅增强了材料的力学和热学性能，同时也赋予材料优异的电学性能。

本发明所述溶剂诱导可逆定向变形共轭高分子碳纳米管复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）通过化学气相沉积方法合成碳纳米管阵列； 

（2）将一柔性基底粘附固定在刚性基片上；

（3）干法纺丝获得碳纳米管薄膜，并粘附固定在柔性基底上，制成取向碳纳米管基底；

（4）将聚乙炔衍生物溶液旋涂在上述铺覆有取向碳纳米管的基底上；

（5）待溶剂挥发完全，将包含柔性基底的双层结构的、复合薄膜直接从刚性基片上剥下来。

步骤（2）中，柔性基底为各向同性，如聚二甲基硅氧烷，双轴拉伸聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺等，厚度可从10μm至1mm；刚性基底可为玻璃基片，硅片，铜片等。

步骤（3）中，固定在柔性基底上的碳纳米管薄膜的厚度大于20nm，薄膜中碳纳米管沿同一方向高度取向。

步骤（4）中，聚乙炔衍生物为含有侧链的，极高分子量的刚性聚合物，分子结构如图1a所示，相对分子质量一般为10⁶-10⁸。x，y可为甲基，乙基，丙基等烷基取代基以及硅烷基，硝基，酯基等。聚乙炔衍生物溶液的溶剂可为甲苯，二甲苯，四氢呋喃，环己烷等弱极性溶剂，溶液浓度为0.4-8mg/ml。

根据上述制备方法制备的溶剂诱导可逆定向变形共轭高分子和碳纳米管复合材料，在有机溶剂中平展，待溶剂挥发后，自动沿垂直碳管轴向方向弯曲，且响应灵敏，最快可在1s内弯曲完全。有机溶剂可为甲醇，乙醇，丙酮等小分子溶剂。

根据上述制备方法制备的复合薄膜具有优异的力学性能和电学性能。拉伸强度室温下可达250-600MPa，电导率可达300-500S/cm，弯曲应力在15MPa以上。