一种纯竹薄膜致动器及其制备方法

技术领域

本发明提供一种纯竹薄膜致动器及其制备方法，属于致动器技术领域。

背景技术

致动器能够将环境中其他形式的能量(湿度、温度、光、pH值、磁场/电场等)转化为自身的机械能并产生机械变形，在软体机器人、人造肌肉、传感器、智能发电机等领域显示出良好的应用前景。为了实现机械响应，产生变形完成移动、抓取等动作，致动器的材料选择非常重要。

大多数致动器是由石墨烯基或聚合物材料制备而成。这里以文献中报道的氧化石墨烯/聚多巴胺(RGO-PDA)复合薄膜(Highly Efficient Actuator of Graphene/Polydopamine Uniform Composite Thin Film Driven by Moisture Gradients)为例介绍其技术方案：将氧化石墨烯(200mg)分散加入250mL去离子水中，剧烈搅拌2h，然后加入Tris缓冲液250mL(pH＝8.5)。接着将盐酸多巴胺(80mg)缓慢加入冰浴混合溶液中搅拌几分钟。然后将反应混合物在40℃下搅拌24h。采用离心洗涤法，将RGO-PDA沉淀物用蒸馏水反复洗涤3天，去除游离的PDA颗粒，得到干净的RGO-PDA分散体。最后将RGO-PDA分散体通过孔径为0.45μm的滤膜真空过滤，室温风干制备RGO-PDA复合薄膜。这些石墨烯基或聚合物材料都是以石油基材料为基底，具有不可再生性和不可生物降解性，且成本相对较高、反应过程复杂，因此，从天然材料中寻找致动器材料的趋势越来越明显。

为了解决石油基材料对环境造成的极大危害，致动器材料的选择开始倾向于纤维素、琼脂糖、蛋白质等天然材料。这里以文献中报道的纳米纤维素薄膜(DynamicsofHydration of Nanocellulose Films)为例介绍其技术方案：将1g浆纤维素浆(未干燥的软漂白纸)放入100mL水中搅拌1h，然后加入0.1g NaBr、3.1g NaClO、0.16mg 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy(TEMPO)，剧烈搅拌。通过加入1M NaOH，将溶液的pH维持在10.5-11.0区间保持不变。然后用400mL高纯水洗涤至少20次，将浆液的pH降至6.8左右。用直径为13mm的超声波尖端在20KHz和100W的输出功率下对45mL浆液进行4分钟的超声处理，这一步骤重复两次获得透明的纳米纤维素悬浮液。然后加入50mL蒸馏水后，用1.2μm纤维素酯Millipore过滤器过滤悬浮液，去除残留的粗纤维。最后将透明悬浮液浇铸在直径为10厘米的培养皿上，并在60℃的烤箱中在铜箔上完全干燥，以保持整个薄膜表面的均匀温度，从而获得纳米纤维素薄膜。该方法虽然解决了可再生、可降解的问题，但这些天然材料的制造方式都是自下而上的方式(即先把天然材料粉碎成细小单元，再重新组装起来)，这种方法能源成本高，制造过程对环境不友好，而且非常耗时。因此，如何基于天然材料，探索更简单高效、环境友好、成本低廉的致动器制备方式是现在的技术难点。

发明内容

本发明提供一种纯竹薄膜致动器及其制备方法，解决石油基致动器材料不可再生和不可生物降解的缺点；还解决天然材料致动器材料成本高、反应过程复杂、耗能高、耗时长的缺点。

具体的技术方案为：

一种纯竹薄膜致动器的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取1-2年生的慈竹，要求表面光滑无污染、没有虫蛀，取离地高度1m-10m的竹主杆，剔除枝丫材，沿竹节上、下1cm处进行锯切以去除竹节、获得节间部位圆竹筒；

步骤(1)截断后的圆竹筒应存放于水中或冰箱中冷藏，保证圆竹筒的含水率大于100％：若是存放于水中，夏天存放时间不超过3天，冬天不超过5天；若是存放于冰箱中，温度应低于-10℃。

(2)对步骤(1)所制的圆竹筒表面水分风干后，刮青处理以去除圆竹筒表面的蜡质层及叶绿素；

步骤(2)的刮青过程保证竹筒含水率大于100％，刮青后的竹材自然存放不超过2小时，若需要长期存放，存放于水中或冰箱中冷藏。

(3)对步骤(2)处理后的圆竹筒沿径向剖分成竹条，平均每份竹条宽度相等，均为1-2cm；

步骤(3)的破竹过程需要保证竹筒含水率大于100％，破竹后的竹条自然存放不超过2小时，若需要长期存放，存放于水中或冰箱中冷藏。

(4)对步骤(3)处理后的竹条沿着弦向分成薄竹篾，平均每份薄竹篾的厚度为0.8-1.2mm；

步骤(4)的剖篾过程需要保证竹条含水率大于100％。剖篾后的竹篾存放于通风处，注意防止发霉腐朽；或者完全浸泡于水中存放，夏天存放时间不超过3天，冬天不超过5天。

(5)取步骤(4)处理后的最靠近竹青部分的1-3层竹篾，对竹篾沿着径向进行刮平定厚，将竹篾刮成厚度为0.01-0.15mm的竹薄膜，即为致动器。

步骤(5)刮平定厚前，若是取存放于空气中的竹篾，先浸泡水中24小时以上，以达到100％含水率；刮制过程保证竹篾含水率始终为100％，通过不断的滴加水到竹篾表面，或者每隔1-2分钟将竹篾浸水来实现。

本发明具有的技术效果：

1、原料廉价易得。本发明唯一用到的原材料为竹材，我国竹林面积大，竹林资源丰富，且竹材生长速度快(最快可达到100cm/day)，是廉价易得的生物质原材料。

2、生产流程简单高效。本发明的生产流程从圆竹到竹薄膜仅需砍竹筒、破竹段、剖分竹篾、刮竹篾四个机械处理步骤，生产流程简单。此外，由于生产流程仅涉及到机械处理，可进行快速的流水线生产，因此生产效率高。

3、生产过程节能环保。由于生产过程仅涉及到机械处理，无需加热、搅拌等，因此生产过程节能。此外，由于不消耗任何化学药品，无污水或废弃物产生，因此生产过程环保。唯一的副产物为竹粉，可以作为竹塑复合材料或竹炭等产品的原料，进行有效的二次利用。

4、本发明获得的产品(纯竹薄膜致动器)反应敏感，湿致变形性能优异，稳定性好。该技术获得的纯竹薄膜致动器在100％的湿度刺激下9s内达到最大弯曲角度300°(图4)，显著优于大多数石油基致动器及纳米纤维素基致动器。此外，该技术获得的纯竹薄膜致动器在手指湿度的驱动下快速弯曲(图5)，并可以举起自身重量60倍的物体(图6)，进行抓取动作(图7)，完成向前移动(图8，步径0.5cm)，湿致变形性能优异。最后，该技术获得的纯竹薄膜致动器在经过50个干、湿循环变形，或极端环境(90℃水煮，10％HCl，10％NaOH)处理10分钟后，仍然具有敏感的反应速率及湿致变形能力，稳定性优异。

5、本发明获得的产品(纯竹薄膜致动器)100％可降解。该技术获得的纯竹薄膜在自然条件下可以通过土埋降解，一张1.5cm×1.5cm×0.01mm(长×宽×厚)的纯竹薄膜大约21周后完全降解，环境和生态效益显著(图9)。

附图说明

图1为本发明采用刮刀竹篾沿着径向进行刮平定厚示意图；

图2为本发明纯竹薄膜致动器照片；

图3为本发明纯竹薄膜致动器横截面的SEM图；

图4为本发明纯竹薄膜致动器在100％相对湿度刺激下9s内达到最大弯曲角度300°；

图5为本发明纯竹薄膜致动器在手指靠近时弯曲的照片；

图6为本发明纯竹薄膜致动器在手指湿度驱动下举起自身重量60倍的物体(塑料)；

图7为本发明纯竹薄膜致动器在手指湿度驱动下完成了抓取动作示意图；

图8为本发明纯竹薄膜致动器在手指湿度驱动下完成了向前移动(步径0.5cm)示意图；

图9为本发明纯竹薄膜致动器的土壤降解速率及照片。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

一种纯竹薄膜致动器的制备方法，包括：

(1)选取1-2年生的慈竹，要求表面光滑无污染、没有虫蛀，取离地高度1m-10m的竹主杆，剔除枝丫材，采用锯切机(或带锯机、圆盘锯、手工锯等)沿竹节上、下1cm处进行锯切，以达到去除竹节、仅保留节间部位圆竹筒的目的。为了保证下一步制备时圆竹筒的含水率大于100％，截断后的圆竹筒应存放于水中或冰箱中冷藏：若是存放于水中，夏天存放时间不超过3天，冬天不超过5天；若是存放于冰箱中，温度应低于-10℃，时长不限。

(2)对步骤(1)所制的圆竹筒从水(或冰箱)中取出待表面水分风干(或竹筒解冻)后，采用柴刀(刮刀、砍刀、刨刀、刀片、条钢等其他刀具，或砂纸、砂带等打磨工具)进行手动刮青处理(或外圆抛光机、竹筒砂光机等其他机械设备进行机械刮青处理)以去除圆竹筒表面的蜡质层及叶绿素。刮青过程需要保证竹筒含水率大于100％，刮青后的竹材不能长期自然存放(小于等于2小时)，需尽快进行下一步加工。若需要长期存放，应参照(1)中圆竹筒存放方式。

(3)对步骤(2)处理后的圆竹筒用破竹机(或开竹器、或砍刀手工破竹)沿圆竹径向剖分成6-10份竹条(根据圆竹直径大小而定)，平均每份竹条宽度相等，均为1-2cm。破竹过程需要保证竹筒含水率大于100％，破竹后的竹条不能长期自然存放(小于等于2小时)，需尽快进行下一步加工。若需要长期存放，应参照(1)中圆竹筒存放方式。

(4)对步骤(3)处理后的竹条用剖篾机(或手动摇篾机，或竹片分层机)沿着弦向分成5-8份薄竹篾(根据竹条厚度而定)，平均每份薄竹篾的厚度约为0.8-1.2mm。剖篾过程需要保证竹条含水率大于100％。剖篾后的竹篾可以存放于通风处，但是要注意防止发霉腐朽；也可以完全浸泡于水中存放，夏天存放时间不超过3天，冬天不超过5天。

(5)取步骤(4)处理后的最靠近竹青部分的1-3层竹篾，采用刮刀(或砍刀、刨刀、刀片、美工刀等其他刀具，或砂纸、砂带等打磨工具，或切削、刨切、剥离等其他机械处理方式)对竹篾沿着径向进行刮平定厚，如图1所示。若是取存放于空气中的竹篾，需先浸泡水中24小时以上，以达到100％含水率。刮制过程还需要保证竹篾含水率始终为100％，可以通过不断的滴加水到竹篾表面，或者每隔1-2分钟将竹篾浸水来实现。将竹篾刮到厚度为0.01-0.15mm的竹薄膜则制备过程完成，得到的竹薄膜即为目标致动器。

通过上述发明方法制备了一种湿度响应的纯竹薄膜致动器，如图2与图3所示。这个致动器在不同的试样厚度、环境湿度、纤维角度下，具有不同的湿致响应速率及最大弯曲曲率。例如，0.01mm厚的致动器在100％的湿度刺激下9s内达到最大弯曲角度300°(图4)。此外，这个致动器在手指湿度的驱动下快速弯曲(图5)，甚至可以举起自身重量60倍的物体(图6)，进行抓取动作(图7)，完成向前移动(图8，步径0.5cm)。此外，这个致动器在经过50个干、湿循环变形，或极端环境(90℃水煮，10％HCl，10％NaOH)处理10分钟后，仍然具有敏感的反应速率及湿致变形能力。此外，这个致动器在自然条件下可以通过土埋降解，一张1.5cm×1.5cm×0.01mm(长×宽×厚)的纯竹薄膜大约21周后100％降解，如图9。