本發明屬于光致變形材料及其制備和應用領域，特別涉及一種近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜及其制備和應用。

背景技術：

隨著科學技術的發展，智能變形材料在遠程非接觸控制、機器人、航空航天及生物醫療等領域得到廣泛應用。根據對不同外部環境變化產生的響應可將智能變形材料分類為：電致變形材料、磁致變形材料、光致變形材料等等。

光致變形材料是指利用光的照射使材料發生畸變現象，具有可以抵抗電磁干擾、清潔高效等優點，已經在人工肌肉、光驅動器及光機械系統得到了應用。常見的光致變形材料包括：偶氮苯化合物，手性高分子聚合物和鎳鈦形狀記憶合金。但這類材料也存在許多缺點，如有機材料耐輻照性較差，使用壽命短，穩定性差；形狀記憶合金材料機械形變量小，變形所需光強大等等，這些都對光致變形材料的應用帶來限制和挑戰。

石墨烯具有理想的二維周期結構，是構建其它維數碳材料的基本單元。自2004年英國科學家首次成功分離出以來，石墨烯得到了廣泛的關注和研究。由于具有高導電性、高導熱性、高強度和多變可調的形態特點。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜及其制備和應用，本發明的制備方法簡單方便，可規模化生產，本發明所制備的近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜具有三維網絡結構，相比其他石墨烯薄膜在材料柔韌性方面得到了極大提高。

本發明的一種近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜，N-異丙基丙烯酰胺凝膠填充在石墨烯薄膜的微孔內形成石墨烯/NIPAAm復合薄膜；其中石墨烯薄膜為多孔的三維網絡結構石墨烯薄膜。

所述石墨烯/NIPAAm復合薄膜的厚度為30-50μm，具有多孔疏松的結構和穩定的光致變

形性能。

本發明的一種近紅外致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜的制備方法，包括：

(1)將氧化石墨超聲剝離分散在去離子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后倒入平整的蒸發皿內，烘干，得到氧化石墨烯薄膜；

(2)用氫碘酸浸泡還原氧化石墨烯薄膜，經去離子水水洗，干燥，然后用近紅外光輻照，得到具有三維網絡結構的石墨烯薄膜；

(3)將具有三維網絡結構的石墨烯薄膜浸泡于NIPAAm溶液中攪拌，使NIPAAm凝膠充分填充于石墨烯薄膜的微孔內，干燥，即得近紅外致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜。

所述步驟(1)中氧化石墨烯分散液的濃度為2～10mg/mL，用量為50～100mL。

所述步驟(1)蒸發皿為PTFT材質。

所述步驟(1)中超聲剝離分散時間為1-2h；烘干為烘箱中烘干，溫度為40～80℃，時間為6～8h。

所述步驟(2)中浸泡時間為1～2h；近紅外光的功率密度為5～500mW/cm²，輻照時間為10～30s。

所述步驟(3)中NIPAAm溶液的濃度為80～120mg/mL。

所述步驟(3)中攪拌時間為12～24h。

本發明的一種近紅外致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜的應用，石墨烯/NIPAAm復合薄膜在近紅外光的照射下致變形，關閉近紅外光后恢復原狀，應用于光驅動器、人造肌肉、光機械系統領域。

通過改變氧化石墨烯分散液的濃度、蒸發皿的面積大小和近紅外光輻照成孔時的強度可以實現對近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜厚度的控制。氧化石墨烯薄膜經氫碘酸浸泡還原以后，采用近紅外光照射，迅速加熱薄膜使其內部殘余氫碘酸熱分解產生碘單質，并以碘蒸汽的形式從薄膜內部迅速揮發出來，從而打開層與層的結構同時形成大量微孔，微孔供具有熱收縮效應的NIPAAm凝膠進行填充。制備得到的石墨烯/NIPAAm復合薄膜在近紅外光照射情況下會迅速吸熱，造成表面附著和內部填充的NIPAAm發生收縮，從而達到材料宏觀的近紅外光致變形現象。

有益效果

(1)本發明的制備方法簡單方便，可規模化生產；

(2)本發明所制備的近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜具有三維網絡結構，相比其他石墨烯薄膜在材料柔韌性方面得到了極大提高；

(3)本發明所制備的近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜能在近紅外光照射下變形，響應快速、變形明顯、循環穩定性良好，在柔性電致動器、人造肌肉和光機械系統等領域具有重要應用價值。

附圖說明

圖1為實施例1中石墨烯薄膜和三維網絡結構石墨烯薄膜兩個斷面的SEM圖；其中(a)為石墨烯薄膜斷面；(b)為三維網絡結構石墨烯薄膜斷面；

圖2為實施例1中氧化石墨烯薄膜(GO膜)、石墨烯薄膜(rGO膜)和三維網絡結構石墨烯薄膜(3D rGO膜)的拉伸力學測試結果；

圖3為實施例2中氧化石墨烯薄膜和氫碘酸還原薄膜的XRD圖譜，其中a為氧化石墨烯薄膜圖譜；b為氫碘酸還原薄膜的XRD圖譜；

圖4為近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜在近紅外光照射下的變形效果展示圖；其中a為復合薄膜原狀；b為近紅外光的照射下5s內變形；c為關閉近紅外光后在5s內恢復原狀。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

利用氧化石墨粉末為原料，配制5mg/mL的氧化石墨溶液80mL，經超聲剝離分散1.5h得到氧化石墨烯分散液；傾倒至平整的PTFT材質蒸發皿中；置于水平的60℃烘箱內進行蒸發成膜，蒸發時間為7h；取出蒸發皿置于室溫冷卻，用鑷子將氧化石墨烯薄膜揭下；

將上述得到的氧化石墨烯薄膜用40mL氫碘酸浸泡1.5h進行還原；用去離子水水洗、自然

干燥；將還原得到的薄膜剪成細條狀，并在室溫下使用功率密度為300mW/cm²的近紅外

光燈輻照20s，得到具有三維網絡結構的石墨烯薄膜；

將具有三維網絡結構的石墨烯薄膜浸泡于濃度為100mg/mL的NIPAAm溶液中攪拌20h，使NIPAAm凝膠充分填充于石墨烯薄膜的微孔內，干燥得到近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜。

從圖1可以看出，氫碘酸還原得到的石墨烯薄膜層間緊密，薄膜厚度大約13μm；經近紅外光輻照成孔以后，石墨烯薄膜層間結構打開，薄膜厚度大約40μm。從圖2可以看出，相較于氧化石墨烯薄膜和氫碘酸還原得到的石墨烯薄膜，近紅外光照射成孔得到的三維網絡結構石墨烯薄膜在柔性方面得到了很大改善。

實施例2

利用氧化石墨粉末為原料，配制5mg/mL的氧化石墨溶液100mL，經超聲剝離分散2h得到氧化石墨烯分散液；傾倒至平整的PTFT材質蒸發皿中；置于水平的60℃烘箱內進行蒸發成膜，蒸發時間為8h；取出蒸發皿置于室溫冷卻，用鑷子將氧化石墨烯薄膜揭下；

將上述得到的氧化石墨烯薄膜，用50mL氫碘酸浸泡2h進行還原；用去離子水水洗、自然干燥；將還原得到的薄膜剪成細條狀，并在室溫下使用功率密度為400mW/cm²的近紅外光燈輻照15s，得到具有三維網絡結構的石墨烯薄膜；

將具有三維網絡結構的石墨烯薄膜浸泡于濃度為100mg/mL的NIPAAm溶液中攪拌24h，使NIPAAm凝膠充分填充于石墨烯薄膜的微孔內，干燥得到近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜，薄膜厚度為46μm。

圖3中a和b分別展示的是氧化石墨烯薄膜和氫碘酸還原薄膜的XRD圖譜，2θ＝11.0°處出現的XRD特征峰，是氧化石墨(001)晶面的衍射特征峰；2θ＝26.5°處出現的特征峰是石墨(002)晶面的衍射特征峰。

實施例3

利用氧化石墨粉末為原料，配制5mg/mL的氧化石墨溶液80mL，經超聲剝離分散1.5h得到氧化石墨烯分散液；傾倒至平整的PTFT材質蒸發皿中；置于水平的50℃烘箱內進行蒸發成膜，蒸發時間為8h；取出蒸發皿置于室溫冷卻，用鑷子將氧化石墨烯薄膜揭下；

將上述得到的氧化石墨烯薄膜，用40mL氫碘酸浸泡1.5h進行還原；用去離子水水洗、自然干燥；將還原得到的薄膜剪成細條狀，并在室溫下使用功率密度為200mW/cm²的近紅外光燈輻照25s，得到具有三維網絡結構的石墨烯薄膜；

將具有三維網絡結構的石墨烯薄膜浸泡于濃度為100mg/mL的NIPAAm溶液中攪拌20h，使NIPAAm凝膠充分填充于石墨烯薄膜的微孔內，干燥得到近紅外光致變形石墨烯/NIPAAm復合薄膜，薄膜厚度為42μm。

圖4演示的是石墨烯/NIPAAm復合薄膜在近紅外光照射下的宏觀效果圖，可以看出，所制備得到的石墨烯/NIPAAm復合薄膜在近紅外光的照射下5s內就可以完成14.4°的彎曲變形，關閉近紅外光后在5s內可恢復原狀。