热压制备PVDF基图案化表面及其性能

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环境刺激(如光、电、热、磁场、湿度、有机溶剂等)下能够产生可编程变形的智能驱动器在软机器人、传感器、仿生装置、人工肌肉等新兴领域具有巨大的应用潜力。此外,一些具有传感性能的驱动器在驱动变形的过程中能够实现运动状态的实时反馈,这有利于我们更精确有效的监测、控制其驱动过程。遗憾的是目前报道的驱动器仍存在许多问题,例如制备工艺复杂、过度使用有机溶剂、成本高、界面失效、变形形式单一、难以兼具驱动和传感性能等,这极大的限制了其广泛应用。因此,开发一种简单、环保、经济的方法来制备性能优异、可编程变形、兼具驱动和传感性能的驱动器仍然是一个巨大的挑战。本文基于带有微沟槽阵列的不锈钢模板,利用真空辅助热压成型技术成功制备了PVDF图案化薄膜驱动器。此外,利用喷涂法在PVDF图案化薄膜上构筑SWCNTs导电网络进一步制备了兼具驱动变形和压电传感性能的SWCNTs/PVDF复合薄膜驱动器。本文的主要研究内容如下:1.PVDF图案化薄膜制备及其驱动性能本文利用真空辅助热压成型制备了带有微嵴阵列的PVDF图案化薄膜。然后,系统研究了热压成型参数对PVDF薄膜微观结构、取向、晶型、结晶度的影响。研究发现,PVDF薄膜正面和反面微嵴的高度差随着热压温度和时间的增加先增加后减小。然而,不同热压条件下制备的PVDF薄膜的取向度、α相和β相晶体相对含量、结晶度基本相同,这表明上述因素将不会引起PVDF图案化薄膜驱动行为的差异。随后,系统研究了PVDF图案化薄膜的驱动行为。研究发现,驱动性能随微嵴高度差的增加而提升。此外,PVDF图案化薄膜不仅能够实现方向、曲率、螺距可控的变形,而且能够完成缠绕、跳跃、举重等仿生运动,展现了其在软机器人、传感器、仿生装置、人工肌肉等领域的应用潜力。2.SWCNTs/PVDF复合薄膜制备及其驱动传感性能基于真空辅助热压成型制备的PVDF图案化薄膜,利用喷涂法进一步制备了集驱动和传感于一体的SWCNTs/PVDF复合薄膜。随着喷涂次数的增加,SWCNTs/PVDF复合薄膜的SWCNTs质量分数逐渐增加,表面SWCNTs网络逐渐完善。因此,表面电阻随喷涂次数的增加先明显降低然后基本保持稳定。随后,采用SEM、FTIR、DSC以及手指刮擦实验验证了SWCNTs与PVDF稳定的界面结合性。最后,系统的研究了影响驱动性能以及压电传感性能的因素。研究发现,SWCNTs/PVDF复合薄膜的驱动性能随喷涂次数的增加而逐渐降低。此外,SWCNTs/PVDF复合薄膜在驱动变形的过程中可以产生稳定的输出电压,且输出电压随薄膜尺寸和丙酮浓度的增加而增加。显然,这种具有驱动传感性能的驱动器能够实时反馈运动状态,这将进一步扩大其在软机器人、传感器、仿生装置、人工肌肉等领域的应用。
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