[发明专利]一种对甲醇蒸汽具有变形-变色双响应的膜材料及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种对甲醇蒸汽具有变形‑变色双响应的膜材料及制备方法和应用，本发明材料以金属‑有机骨架化合物及高分子聚合物通过简单的溶液流延及化学刻蚀方法制备而成，能够在甲醇溶剂蒸汽中发生可逆的卷曲变形和肉眼可见的明显变色，能够响应的甲醇蒸汽最低浓度为1vol％，甲醇气氛中响应时间最快可达0.8s，经过20次循环测试后仍能保持较好的卷曲变形能力。变色性能由膜材料表面的反蛋白石结构层实现，随着膜材料运动变形发生的角度变化而产生，变形变色协同性良好。本发明材料可应用于甲醇气体的可视化传感如化学响应的软体智能机器人、防毒面具滤毒罐寿命终点指示器等。

技术领域

本发明属于传感驱动领域，具体涉及一种对甲醇蒸汽具有变形-变色双响应的膜材料及制备方法和应用。

背景技术

甲醇是常见的有机溶剂，具有较强的挥发性、刺激性和毒性。甲醇蒸汽能够损害人的呼吸道黏膜和视力，对人体造成伤害。因此在生产生活中检测甲醇蒸汽对安全健康是非常必要的。目前针对甲醇类的挥发性有机化合物的检测主要手段是气相色谱、半导体材料气敏检测及电化学检测等，对于需要可视化、快速化检测的场合，这些方法过程繁琐，成本高昂且不利于便携使用。

而溶剂型智能驱动材料能够对挥发性有机化合物产生快速的大幅度形变，在挥发性有机化合物可视化智能传感方面具有很大的应用潜力。溶剂型智能驱动材料是近年来出现的一类智能软驱动气体响应材料，其形变原理基于柔性材料在溶剂及溶剂气氛作用下产生可逆的体积膨胀/收缩，能够模仿自然界中湿度驱动的种子释放、花瓣开合等现象，将环境湿度/溶剂气氛变化过程中蕴含的化学势能转化为机械能。

近年来该领域较为典型的材料有德国普朗克胶体与界面研究所研发的聚离子液体PILTf₂N纵向静电络合梯度的单层膜(驱动丙酮等各种有机溶剂蒸汽)、中国科学院宁波材料与工程研究所研发的氧化石墨烯/聚多巴胺驱动膜(高灵敏度检测湿度、驱动自重42倍)、清华大学研发的聚己内酯驱动膜(对丙酮溶剂4s内达到0.112mm^-1曲率)等。这些研究更为偏重于获得大的驱动力以及较高的能量密度，但对于甲醇气体智能传感，这些材料仍然存在响应速度较慢、选择性差、难以定量的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对甲醇蒸汽具有变形-变色双响应的膜材料及制备方法和应用，以克服现有技术存在的问题，本发明材料是一种对甲醇等极性溶剂有明显驱动效果的材料，最快能够在0.8s内对甲醇溶剂上方的蒸汽气氛做出肉眼可见的明显弯曲形变响应。同时该材料能够响应的最低甲醇浓度为1vol％。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种对甲醇蒸汽具有变形-变色双响应的膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将聚乙烯吡咯烷酮、六水三氯化铁及对苯二甲酸溶解于DMF中，得到溶液A；将氢氧化钠溶于去离子水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合搅拌均匀，加热反应后室温冷却，用水和乙醇分别洗涤若干次，烘干，得到MIL-88B粒子；

步骤2：将试剂A与试剂B分别搅拌后，将试剂B倒入试剂A中，搅拌后离心，用乙醇洗涤若干次，将洗净的二氧化硅微球配制成二氧化硅微球的乙醇溶液；所述试剂A采用氨水、乙醇和水的混合溶液，所述试剂B采用硅酸四乙酯和乙醇的混合溶液；

步骤3：将玻璃片采用食人鱼溶液浸泡，然后用丙酮和乙醇分别超声清洗，将清洗后的玻璃板浸入二氧化硅微球的乙醇溶液，在真空加热条件下反应直到生长出光子晶体层，得到二氧化硅光子晶体模板；

步骤4：将MIL-88B粒子、PVDF与碳黑溶解于DMF中，超声处理，然后将所得溶液涂覆于二氧化硅光子晶体模板上，成型后将膜从玻璃板上剥下，并将膜的光子晶体一侧置于氢氟酸溶液上方蒸汽气氛中，进行刻蚀，得到对甲醇蒸汽具有变形-变色双响应的膜材料MIL-88B/CB/PVDF。