[发明专利]一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法

说明书

本发明属于纤维素基功能材料领域，公开了一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法。将TOCNF凝胶在去离子水中搅拌均匀，然后超声处理，得到TOCNF溶液，然后通过溶剂蒸发自组装成透明TOCNF膜，在所得透明TOCNF膜表面通过溅射方式沉积一层高导电性金属电级，得到所述纳米纤维素基电致驱动材料。本发明材料选用可再生可降解，具有良好生物适应性，成本较低的TOCNF为原料，制备过程简单高效。所制备材料属于高响应性电致驱动材料，在致动器、传感器、微型机器人、微型飞行器等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于纤维素基功能材料领域，具体涉及一种纳米纤维素基电致驱动材料及其制备方法。

背景技术

智能材料能够在识别环境的改变同时产生可测量的反应，正是这种性质使检测、驱动和控制集成于一种材料上成为了可能。智能材料由于其优异的性能，在生产和生活方面都有着十分重要的作用。作为智能材料中的一种，电致驱动材料可以在电场下产生蠕动变形或偏转位移，或在应力作用下产生响应电荷，这种特性决定着电致驱动材料在传感器、致动器、MEMS、扬声器等方面有着广泛的应用潜力。常见的电致驱动材料有离子聚合物金属复合材料(IPMCs)，凝胶类聚合物，导电聚合物，电场驱动纸(EAPs)，电致伸缩聚合物人造肌肉 (EAPM)，电流变体等。这些材料已经得到了较为广泛的应用，但也存在着驱动电压较高、对湿度敏感以及难以维持直流保持的位移等等问题，因此需要一种轻巧的新型电致驱动材料来解决这些问题从而实现低功率水平操作。

纤维素是自然界储量最大的天然聚合物，年产量超过一万亿吨。天然的纤维素是一种物理和化学上具有高度特异性的复合材料，这种材料中存在着定向单轴结晶的结晶区以及无定形区的特异结构。上世纪的许多研究者对具有这种有趣结构的天然高分子材料做了深入研究，发现这种结构可以产生压电效应，具有作为智能材料的巨大潜力。纤维素基电致驱动材料具有轻质高强、可生物降解、良好生物适应性、广泛的化学改性及成形工艺适应性以及较低的驱动电压和较大驱动位移。使用TEMPO氧化纳米纤维素制备TOCNF的方法反应条件温和，能耗较低，所制得的纳米纤维素尺寸均一，长径比大，分散性好。TOCNF 不仅具有纤维素的绿色环保的优点，还在纤维表面暴露出更多的羧基基团，在成膜过程中更有利于氢键的形成，这对成膜的物理机械强度和结晶度都有很重要的意义。

表面溅射法是一种利用溅射原理及技术处理加工材料表面的现代技术方法。对纳米纤维素膜进行表面溅射沉积时可保证在对膜表面进行精细刻蚀时保持原组分不变，但是覆盖的高导电性金属薄膜具有低电阻，结合紧密，不易脱落而且不影响膜本身的柔性等优点，是良好的电极选择。

关于直接在纳米纤维素膜表面溅射高导电性金属电极 制备电致驱动材料的研究尚未见报道。

发明内容

针对目前电致驱动材料存在的驱动电压高，致动位移小等不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法。本发明方法采用TOCNF和高导电性金属作为主要材料，采用不同含量的TOCNF溶液(阔叶木TOCNF或针叶木TOCNF等)超声震荡均匀后蒸发溶剂自组装成膜，再在膜的表面溅射沉积一层超薄的高导电性金属膜作为电极制备了高性能电致驱动材料。该工艺方法成熟，所用原料成本低，且原料可再生可降解，绿色环保。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的纳米纤维素基电致驱动材料。本发明制备的电致驱动材料具备优异的电致动性能，而且成本低；同时，该材料具有纤维素基材料轻质高强的特点和有良好的可再生和可降解性能。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种纳米纤维素基电致驱动材料的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将氧化纳米纤维(TOCNF)凝胶在去离子水中搅拌均匀，然后超声处理，得到TOCNF溶液；

(2)将TOCNF溶液放在容器里通过溶剂蒸发自组装成透明TOCNF膜；