基于PBO纳米纤维复合材料的软体执行器和光驱动马达研究

发布时间：2020-08-07 06:47

【摘要】：软体执行器和微马达都是将各种形式能量转化为机械能的装置,可分别实现可控的形变和自推进运动,在诸多领域具有良好的应用前景。聚对苯撑苯并双VA唑(Poly(p-phenylene benzobisoxazole),PBO)纤维是一种高性能聚合物纤维材料,具有优异的机械性能和热稳定性等性能。近年来,PBO纳米纤维及其薄膜、气凝胶等形态的复合材料已在阻燃材料和界面水蒸发等领域展现了应用的可能。构建基于PBO纳米纤维复合材料的软体执行器和光驱动马达将有望进一步扩展PBO纳米纤维的潜在应用领域,并发展新型的自推进马达(如气凝胶基光驱动马达)。本论文以PBO纳米纤维为构建基元,通过集成聚乙烯醇(PVA)、还原氧化石墨烯(rGO)等材料,制备了(PBONF/rGO)/PVA双层膜和PBONF/rGO复合气凝胶,并将其分别用于构建具有湿度和光双重响应的软体执行器和可在气液界面上进行平动和转动的光驱动马达。通过综合PVA的湿度响应性、PBO纳米纤维的机械性能和rGO的光热性能及导电性,利用真空辅助絮凝法制备了具有双层结构的(PBONF/rGO)/PVA光与湿度双响应软体执行器。该软体执行器的拉伸强度和模量分别为29.36 MPa和0.311GPa。吸收光谱测试表明该双层膜的吸光率为72.1%。该软体执行器因其双层膜结构展现了可逆、耐久、形变量大的湿度响应执行性,并可在激光照射下由于PBONF/rGO层光热效应导致的PVA层失水而发生形变,从而做出响应。该执行器还具有导电性能,湿度和光照引起的执行器形变可导致其电导率改变。此外该双层膜结构还可用于构建在固体表面快速运动的光驱动滚动马达。通过溶胶-凝胶法和超临界二氧化碳干燥制备了PBONF/rGO复合气凝胶,其吸光率为71.03%,并具有良好的热稳定性。基于该气凝胶材料构建的马达可在光照下在气液界面上进行快速运动,其运动机理是马拉高尼效应。光照下PBONF/rGO的光热效应导致局域温度升高,在马达周围形成表面张力梯度,进而推动马达进行快速平动或转动。通过在气凝胶内灌注二甲基硅油可提高材料的疏水性,进而对马达的运动起到减阻作用。研究表明吸附二甲基硅油后,马达的平动和转动速度确实明显增加。综上所述,本论文实现了PBO纳米纤维复合材料基软体执行器和光驱动马达的构筑,扩展了PBO纳米纤维的潜在应用领域,实现了气凝胶马达的构建。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TQ427.26
【图文】：

纳米复合膜,双层膜,多层复合薄膜,照片

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文6 年贺强教授[21]等人采用层层组装技术构筑了一种基于 PBO 纳O)50多层复合薄膜和(PBO-PVA)50多层复合薄膜，如图 1-5 所示O)50多层复合薄膜的拉伸强度和动态热机械性能均得到提高。PBO-PVA)50多层复合薄膜的拉伸性能具有良好的增强作用（杨a，韧性为 4.6 MJ/m3，最大拉伸强度为 304.34 MPa）。而且(P薄膜具有极高的热稳定性（初始热分解温度高达 625 ℃）以及薄膜在阻燃防火材料领域具有发展前景。

示意图,复合气凝胶,示意图

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文有利于阻止热的传导，因此可用于高温热绝缘材料的制备，推动高性能 PBO 纳米纤维的发展以及拓宽了其潜在应用领域。2019 年 Xu 课题组[29]采用还原自组装方法研究了一系列介孔石墨氮化碳（MCN）纳米材料负载在还原氧化石墨烯气凝胶（rGOA）上制备宏观三维（3D）多孔结构，如图 1-6 所示。去除 20 mg/L 罗丹明 b（RhB）溶液的 MCN/rGOA 复合气凝胶（MCN/GOA 质量比为 3:9）的吸附率高达 73.7%，而且吸附和可见光催化的总效应在 80 分钟内达到 95.2%。与此同时，该材料也表现出良好的稳定性，重复实验 5 次后去除率仍然高达 89%。MCN 的比表面积从 18 m2/g 增加至MCN/rGOA 复合气凝胶的 149 m2/g。复合气凝胶不仅吸附效果好，还有足够的光催化作用。复合材料首先通过 π-π 吸附与 RhB 相互作用，然后通过提高电子转移效率和抑制电子-空穴复合以获得良好的导电性来改善光催化作用。通过清除实验，发现质子自由基是光催化降解主要的氧化剂。这种负载 MCN 的复合气凝胶具有生产制备方法简单，比表面积高，导电性好，光催化有机染料降解等优点，具有良好的应用前景。

示意图,马达,效应,示意图

图 1-8 马拉高尼效应驱动毫米马达运动的示意图[44]研究表明，在近红外照射下 Janus 纳米马达具有更高的驱动力 950 身长/s[45]，远远高于其它马达。涂有 Au 一侧通过光热效换为热量，热的 Au 纳米壳充当加热源并在纳米马达上产生局达的中心，温度越来越高，温度下降的速度也越来越快，然后/s 的速度朝向温度下降相反的方向运动。非接触、可控和连续的方式将光直接转换为机械能驱动微米马往往涉及直接传递光动量或间接光热效应。两种方式都已经使实现。但是，由此产生的效率总是非常低，并且通常需要通过功率密度。2015 年 Maggi 等[46]报道了一种在气液界面可以通过的光有效地转换为旋转运动的微型齿轮，如图 1-9 所示。在照射下，微齿轮马达叶片以及马达中心的局部温度明显高于周度表面张力差，因此产生了围绕马达中心构成循环往复的热梯出齿轮的叶片都会产生同向的力矩为马达提供驱动力进而推进的转动运动。在非相干光的宽场照明下，其转速高达 300 转/分

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