可降解明膠基柔性驅(qū)動(dòng)器的制備及其性能研究

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Due to its high flexibility and strong adaptability，flexible actuators have shown great application potential in soft robots，wearable devices and other fields，but the actuat speed and controllability are still a challenge，which affects the practical application of this type of device.Based on the principle of coordination bond formation between metals and functional groups，this paper proposes a preparation strategy for humidity-responsive flexible actuators with a double-layer structure.Specifically，Gelatin （Gel） and Microfibrillated Cellulose （MFC）are blended and poured to form a film，and the MFC plays a role in the skeleton support in the gelatin，and the two are tightly bonded through a large number of hydrogen bonds.In addition，by introducing Zn²⁺ on one side of the composite film，the chemical bonding formed between the metal ions and the functional groups on the surface of the composite film was used to construct a flexible actuator with a double-layer structure，and due to the hygroscopic characteristics of zinc chloride，the prepared actuator exhibited excellent characteristics such as fast response and complete recovery. The prepared flexible actuators can not only be used to simulate cranes，bionic flowers and bionic reptile movements，but also can be dissolved in water to form a film again or degraded directly in the soil，thus showing great environmental advantages.

Key words：gelatin;cellulose; flexible actuators;humidity driven; degradable

0 引言

柔性驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)⒏鞣N外界的刺激（如光]、電[2]、熱[3]、濕度[4]、化學(xué)物質(zhì)[5]、磁場[6]等）轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如膨脹、收縮、彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)、位移等），可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，近年來在順應(yīng)性夾持器[7]、仿生機(jī)器人[8]以及智能醫(yī)療[9]領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.但柔性驅(qū)動(dòng)器的制備通常采用不可降解材料[10]，因此對(duì)環(huán)境有潛在的影響，此外柔性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)可控性還需要進(jìn)一步改善，以滿足未來更多場景的實(shí)際需求.

在自然界中，茅膏菜[1]和水輪草[12]均是肉食性植物，其觸角或捕蠅器都可以快速捕捉食物.其超高速運(yùn)動(dòng)主要是通過雙層結(jié)構(gòu)[13的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn).雙層結(jié)構(gòu)因其靈活多樣的設(shè)計(jì)[14]而特別具有吸引力.受自然界植物的啟發(fā)，目前研究人員提出多種方法，通過構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)提高驅(qū)動(dòng)器的性能，如Woo等[15通過化學(xué)氣相沉積和由底柵交錯(cuò)式化學(xué)氣相沉積生長的二硫化鉬組成的有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器電路陣列，合成了毫米級(jí)的大面積雙層二硫化鉬薄膜.薄膜晶體管在柔性聚酰亞胺襯底上制造，柔性驅(qū)動(dòng)器電路在 3.5mm 彎曲半徑引起的拉伸應(yīng)變下表現(xiàn)出穩(wěn)定的開關(guān)和驅(qū)動(dòng)操作，具有高的場效應(yīng)遷移率，大的導(dǎo)通狀態(tài)電流密度和高狀態(tài)漏極電流比.雖然驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)異，但是制備材料不可降解.Kuang等[16設(shè)計(jì)了一種由選擇性排列的纖維素納米纖維層和鈍化層組成的微圖案軟驅(qū)動(dòng)器.通過蒸發(fā)輔助自組裝實(shí)現(xiàn)纖維素納米纖維層的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，利用纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)親水性、納米多孔和對(duì)齊良好性，軟驅(qū)動(dòng)器顯示出快速、強(qiáng)大和對(duì)外部環(huán)境刺激的可控響應(yīng).可作為機(jī)械臂和軟行走機(jī)器人，在軟體機(jī)器人和仿生系統(tǒng)中有巨大潛力.此柔性驅(qū)動(dòng)器雖然可降解也可以快速驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)作多樣，但是制備工藝較為復(fù)雜，難以大規(guī)模推廣.Tang等[17]利用同步紫外（UV）聚合策略來增強(qiáng)雙層明膠基水凝膠驅(qū)動(dòng)器的界面韌性，使該驅(qū)動(dòng)器在 90°C 下表現(xiàn)出穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)能力，為制備高界面韌性的雙層驅(qū)動(dòng)器提供了新思路.制備原料可降解但是制備流程復(fù)雜.Huang等[18]通過3D打印技術(shù)，制備明膠甲基丙烯酰（GeIMA）與聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）復(fù)合的雙層水凝膠驅(qū)動(dòng)器，具有快速的熱響應(yīng)和高的機(jī)械強(qiáng)度.但是其制備原料不可完全降解.本研究旨在制備可降解、制備流程簡化的柔性驅(qū)動(dòng)器.基于環(huán)境友好型智能材料的發(fā)展需求，開發(fā)具有可控降解特性并兼具高響應(yīng)性驅(qū)動(dòng)性能的柔性驅(qū)動(dòng)器件已成為當(dāng)前軟體機(jī)器人領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題.

本文提出了一種簡單且有效的策略，通過引入鋅離子到明膠[19]/微纖化纖維素[20]復(fù)合材料表面，利用明膠/微纖化纖維素復(fù)合材料表面官能團(tuán)[21，22]與鋅離子之間形成的化學(xué)鍵[23-25]，構(gòu)建具有雙層結(jié)構(gòu)的柔性驅(qū)動(dòng)器.研究結(jié)果表明，制備的柔性驅(qū)動(dòng)器不僅可以實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，而且由于氯化鋅的吸濕性，對(duì)于構(gòu)建的驅(qū)動(dòng)器的“驅(qū)動(dòng)-回復(fù)\"的循環(huán)效率也有明顯提升.因此，本工作為開發(fā)可降解柔性驅(qū)動(dòng)器提供了新的思路.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1. 1. 1 主要試劑

明膠（Gelatin，G821281）、氯化鋅（ ZnCl₂ ，Z820755），上海麥克林生化科技有限公司；微纖化纖維素 （MFC1905P，2.5wt%） ，中山納纖絲新材料有限公司.

1. 1. 2 主要儀器

磁力攪拌器（MS-H280-Pro），北京東南儀誠實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司；分析天平（FA2004），上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；伺服材料多功能高低溫控制試驗(yàn)機(jī)（AI-700O-NGD），高特威爾（東莞）有限公司；傅里葉紅外光譜儀（Vertex7O型），德國布魯克公司；掃描電鏡（SEM），F(xiàn)EI捷克公司；紫外-可見-近紅外光譜儀（UVN5000），江蘇天瑞儀器股份有限公司；視頻光學(xué)接觸角測量儀（OCA20），德國德飛公司.

1.2柔性驅(qū)動(dòng)器的制備

首先將明膠粉末溶解，在一定磁力攪拌轉(zhuǎn)速下水浴 得到 明膠溶液，將制備好的溶液與適量微纖化纖維素（MFC）分散體均勻混合，然后澆筑于塑料培養(yǎng)皿中.待其凝膠化后，使用浸有氯化鋅的濾紙覆蓋在Gel/MFC凝膠表面一段時(shí)間.最后將其置于通風(fēng)櫥中室溫干燥，即可得到Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜，制備流程圖如圖1所示.按需裁剪成特定形狀，完成柔性驅(qū)動(dòng)器的制備.

圖1Gel/MFC/ Zn²⁺ 復(fù)合薄膜的制備流程示意圖

1.3表征與測試

1.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）測試

通過FEI捷克公司的掃描電鏡FEI/Q45對(duì)Gel/MFC.Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜進(jìn)行表征，觀察形貌，測試前對(duì)待測樣品進(jìn)行噴金處理.

1.3.2 復(fù)合薄膜的FTIR分析

將樣品干燥至質(zhì)量恒定，使用波長范圍為4000～500cm^-1 的傅里葉變換紅外光譜儀分析化學(xué)結(jié)構(gòu).

1.3.3 復(fù)合薄膜的紫外分析

通過使用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)對(duì)薄膜的紫外-可見吸收光譜進(jìn)行測試.測定范圍： 200～ 800nm.

1.3.4復(fù)合薄膜的拉力性能分析

通過伺服材料多功能高低溫控制試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合薄膜力學(xué)性能進(jìn)行測試，負(fù)載 500N ，樣品尺寸10mm×40mm ，加載速率 2mm/min ，每個(gè)樣品測量三次，以獲得可靠的值

1.3.5 復(fù)合薄膜的靜態(tài)水接觸角測試

室溫下將體積為 5. 0μL 的去離子水滴在Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜上，用接觸角測量儀測試其水接觸角.

1.3.6復(fù)合薄膜的濕度響應(yīng)性能測試

將復(fù)合薄膜固定在滴有 2mL 水的上方，水滴 表面與薄膜之間的距離約為 20mm .薄膜被裁剪成 10mm×40mm 的條狀，所有驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)均使用手機(jī)以圖片或視頻的形式記錄下來.彎曲角度和響應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)均來自所拍攝視頻.

1.3.7 復(fù)合薄膜的應(yīng)用演示

將裁剪成不同形狀的復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器置于濕潤環(huán)境中，觀察其在濕度刺激時(shí)的結(jié)構(gòu)變化.

1.3.8復(fù)合薄膜的降解實(shí)驗(yàn)

將復(fù)合薄膜放在濕潤的土壤上，每隔一段時(shí)間 記錄膜的狀態(tài)，直到復(fù)合薄膜完全降解.

2 結(jié)果與討論

2.1掃描電鏡（SEM）分析

利用澆筑成型的辦法制備了Gel/MFC復(fù)合薄膜，待凝膠化后又制備得到 Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜，干燥后將復(fù)合薄膜淬斷，然后通過掃描電鏡觀察表觀形態(tài).結(jié)果如圖2（a）、（b）所示，為 Zn²⁺ 交聯(lián)前后復(fù)合薄膜的表面SEM圖像.從Gel/MFC、Gel/MFC/Zn²⁺ 的表面圖可以看出，去除濾紙后，與未交聯(lián)的相比，由于附著了較多的 ZnCl₂ ，薄膜表面變得粗糙，這種粗糙表面有利于濕度響應(yīng)驅(qū)動(dòng)時(shí)水分子的吸附與脫附.加大了濕度響應(yīng)面積，從而增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)效率.

通過圖2（c）、（d）所示的Gel/MFC、Gel/MFC/Zn²⁺ 的截面圖可以看到，膜狀驅(qū)動(dòng)器結(jié)合緊密，沒有明顯的分層，這是因?yàn)槊髂z和MFC均存在大量的親水基團(tuán)，使得二者混合后復(fù)合材料形貌均一且材料之間存在廣泛的相互作用力，這也為制備的柔性驅(qū)動(dòng)器的循環(huán)穩(wěn)定性提供了可能.

圖2復(fù)合薄膜SEM圖

2.2復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器的紅外譜圖分析

Gel、MFC、Gel/MFC、Gel/MFC/ Zn²⁺ 的 FTIR曲線如圖3所示，可以了解化學(xué)結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證 Gel 、MFC和 Zn²⁺ 之間的相互作用.在Gel譜圖中，3 285cm^-1 處的吸收峰可歸屬為 O-H 和 N-H 的伸縮振動(dòng)， 1627cm^-1 處的吸收峰可歸屬為酰胺I帶的 C=O 的伸縮振動(dòng)， 1539cm^-1 處的吸收峰可歸屬為酰胺Ⅱ帶的 C-N 伸縮振動(dòng)和 N-H 彎曲振動(dòng)，1400cm^-1 左右的雙峰可歸屬為羧基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)， 1 237cm^-1 處的吸收峰可歸屬為酰胺Ⅲ帶的C一N伸縮振動(dòng)和 N-H 的彎曲振動(dòng)， 1082cm^-1 處的吸收峰可歸屬為 c-o 骨架伸縮振動(dòng).在MFC譜圖中，3348cm^-1 處的吸收峰可歸屬于纖維素分子上受氫鍵影響的一OH伸縮振動(dòng)，在 2902cm^-1 處的吸收峰可歸屬于一 CH₂ 一的對(duì)稱伸縮振動(dòng)， 1161cm^-1 處的吸收峰可歸屬為不對(duì)稱橋接 C-O-C 伸縮振動(dòng)， ，1 107cm^-1 處的吸收峰可歸屬為不對(duì)稱相環(huán)內(nèi)伸縮振動(dòng)， 877cm^-1 處的吸收峰可歸屬于不對(duì)稱相環(huán)外伸縮振動(dòng).Gel與MFC共混后的紅外譜圖類似于明膠與微纖化纖維素的疊加，但仍有少量吸收峰產(chǎn)生不同程度的位移.與明膠相比，MFC與明膠共混物在 3 307cm^-1 左右存在吸收峰，且向MFC的 O-H 伸縮振動(dòng)峰和明膠的 N-H 與 O-H 伸縮振動(dòng)峰之間移動(dòng)，表明明膠中的羥基以及部分氨基、羧基與MFC中的羥基形成了分子間氫鍵.當(dāng)使用 Zn²⁺ 對(duì)Gel/MFC進(jìn)行處理后，Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜 3319cm^-1 處 O-H 拉伸和彎曲引起的振動(dòng)峰值顯著減弱， Zn²⁺ 通過 sp³ 與大量的羥基雜化[26]，表明 Zn²⁺ 和羥基之間形成了多種協(xié)同作用，包括氫鍵、靜電吸引和金屬配位相互作用等[25]，此外， C-O 和 c-c 基團(tuán)的拉伸振動(dòng)不僅使峰值增大，而且有更明顯的紅移.增加了復(fù)合薄膜的力學(xué)性能，從而增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)性能.

圖3 MFC、Gel、Gel/MFC、

Gel/MFC/ Zn²⁺ 復(fù)合薄膜的紅外波譜圖

2.3復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器的紫外光譜分析

同時(shí)，測試了Gel、MFC、Gel/MFC、Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜的紫外吸收光譜，如圖4所示，純Gel在約 217nm 的強(qiáng)吸收峰是由明膠肽鍵上 -c=0 的π-π? 躍遷引起，在約 280nm 有一較強(qiáng)的吸收肩峰，這是由明膠肽鏈的芳香族氨基酸（如酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）的 ππ× 躍遷引起2].加人MFC后，兩處的吸收峰變寬，且吸收增強(qiáng)，這是因?yàn)镸FC中含有大量羥基可以與明膠中的生色團(tuán) -c=0 產(chǎn)生n-π 共軛作用，增強(qiáng)了生色團(tuán)的生色能力.當(dāng)在Gel/MFC中引人 Zn²⁺ 后，不僅吸收峰出現(xiàn)明顯紅移、峰形變寬，且在 350nm，415nm 左右出現(xiàn)新的微弱吸收峰，表明 Zn²⁺ 與明膠發(fā)生了相互作用.

圖 4MFC、Gel、Gel/MFC、Gel/MFC/ Zn²⁺ 復(fù)合薄膜的紫外-可見吸收光譜圖

2.4復(fù)合薄膜的機(jī)械性能

為了證明復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)異驅(qū)動(dòng)性能，對(duì) Gel，Gel/MFC，Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜進(jìn)行了拉伸測試，如圖5所示.通過應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，純Gel膜的最大拉伸強(qiáng)度和韌性分別約為 55. 13MPa 和 1. 3MJ?m^-3 .隨著MFC與Gel進(jìn)行共混，最大拉伸強(qiáng)度和韌性隨之增大，分別約為 81.98MPa 和 2.3MJ?m^-3 .這可能是因?yàn)槊髂z分子鏈上的氨基、羥基、羧基與微纖化纖維素分子鏈上的羥基能夠相互作用形成氫鍵，從而起到增強(qiáng)韌性的效果.浸潤氯化鋅的濾紙覆蓋在凝膠狀Gel/MFC復(fù)合物后，制備的各向異性薄膜狀柔性驅(qū)動(dòng)器最大拉伸強(qiáng)度和韌性分別約為70.98MPa 和 2.2MJ?m^-3 .鋅離子可以與明膠和微纖化纖維素上的羥基形成配位鍵，相互連接的分子鏈相互纏繞，形成三維交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[18]，有利于獲得良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度.對(duì)比圖可知，經(jīng) ZnCl₂ 處理后的Gel/MFC薄膜的機(jī)械強(qiáng)度比未經(jīng) Zn²⁺ 處理時(shí)有了很大程度的提高，這也間接證明了 Zn²⁺ 與Gel、MFC的羥基發(fā)生了配位絡(luò)合.

圖5Gel、Gel/MFC、Gel/MFC/ Zn²⁺ 復(fù)合薄膜的機(jī)械性能測試圖

2.5復(fù)合薄膜的靜態(tài)水接觸角測試

為了進(jìn)一步對(duì)水分響應(yīng)的差異性進(jìn)行探索，分別測試了復(fù)合薄膜的吸濕率和靜態(tài)接觸角，如圖6所示，隨著Gel和MFC復(fù)合，吸濕性能變強(qiáng)，接觸角減小.這可能歸因于MFC中含有豐富羥基，且MFC和Gel中的羥基、氨基、羧基之間形成的大量氫鍵，通過氫鍵吸收水分子，吸濕性能增強(qiáng).經(jīng)過Zn²⁺ 處理后的復(fù)合薄膜，吸濕率增大且靜態(tài)水接觸角減小，吸濕性能增強(qiáng).這可能歸因于 Zn²⁺ 離子與羥基發(fā)生交聯(lián)，且氯化鋅作為保水劑，因此交聯(lián)側(cè)吸濕率大于未交聯(lián)側(cè)，水接觸角小于未交聯(lián)側(cè)，因此，制備的驅(qū)動(dòng)器這種特征可能使得驅(qū)動(dòng)器上下表面接觸水分時(shí)，驅(qū)動(dòng)性能存在明顯差異.

圖6 Gel，Gel/MFC，Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜吸濕率與靜態(tài)接觸角變化圖

2.6復(fù)合薄膜的濕度驅(qū)動(dòng)性能測試

為了研究 ZnCl₂ 處理后 Gel/MFC 復(fù)合薄膜的濕度響應(yīng)性能，測量了復(fù)合薄膜的彎曲角度以及響應(yīng)、回復(fù)速度.將復(fù)合薄膜剪裁成 10mm×40mm 大小，并粘貼于載玻片的一端，通過靠近和遠(yuǎn)離水分以測試彎曲角度隨時(shí)間的變化.當(dāng)靠近水分時(shí)，面向較高濕度的一側(cè)吸收水分并膨脹，因此薄膜會(huì)向濕度較低的一側(cè)彎曲.由圖7（a）、（b）、（c）可以看出，交聯(lián)側(cè)的彎曲角度大，響應(yīng)更加迅速，回復(fù)速度快且回復(fù)完整.這可能是因?yàn)?，與單層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)的引入使得在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部沿厚度方向產(chǎn)生了不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器在濕度驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更大的形變、更快的響應(yīng)速度.

此外，從圖7（d）、（e）、（f）中也可以看出，交聯(lián)側(cè)回復(fù)速度大于未交聯(lián)側(cè)，在驅(qū)動(dòng)器回復(fù)階段，由于雙層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，強(qiáng)度較大，使得交聯(lián)后的可以恢復(fù)原樣，而未交聯(lián)的由于薄膜柔軟且力學(xué)強(qiáng)度較弱，因此在回復(fù)時(shí)，未能恢復(fù)原樣.這可能是因?yàn)榇罅繗滏I的形成與氯化鋅的保水作用，鋅離子與羥基配位絡(luò)合，提高了交聯(lián)側(cè)的剛性，因此未交聯(lián)側(cè)回復(fù)速度減小.

圖7復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器的濕度驅(qū)動(dòng)性能圖2.7復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)演示

圖8Gel/MFC/ Zn²⁺ 復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用演示

將雙層復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行裁剪，根據(jù)Gel/MFC/Zn²⁺ 雙層膜的兩種基本驅(qū)動(dòng)方式，包括吸濕膨脹彎曲特性和形狀恢復(fù)特性（當(dāng)撤去濕度刺激后 Gel/MFC/Zn²⁺ 驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)原始形狀），通過組裝成不同形狀，從而實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)效果.由Gel/MFC/Zn²⁺ 雙層膜作為提升部件的起重機(jī)（圖8（a）），這種裝置最初處于豎直狀態(tài)，在受到濕度刺激時(shí)，可在5s內(nèi)將重量為膜狀柔性驅(qū)動(dòng)器1.5倍的重物提升一定高度，撤去濕度刺激后，起重機(jī)又可在9s內(nèi)恢復(fù)原狀.其次，將柔性驅(qū)動(dòng)器組裝成了仿生花（圖8（b）），這種花朵最初含苞待放，在受到濕度刺激時(shí)，不到6s內(nèi)就完全開花，當(dāng)撤去濕度刺激后，它又會(huì)在17s內(nèi)閉合.此外，模擬了一種具有濕度驅(qū)動(dòng)特性的能夠自主爬行的機(jī)器人（圖8（c）），它在間歇性的濕度刺激下自主、連續(xù)的緩慢向前爬動(dòng)，并且 2min 內(nèi)爬行了 1.5cm.

利用本方法制備的可降解薄膜狀柔性驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間 （～5.5s） ，與已知的可降解的墨魚墨水納米顆粒/木材衍生纖維素納米纖維和生物衍生聚乳酸[28]的多刺激響應(yīng)雙層驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間（～75s） 相比較快，略慢于可降解的微米級(jí)纖維殼聚糖/納米纖維素[29]濕度驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間1 （～3s） ；顯著快于不可降解的濕敏性聚（對(duì)苯基苯并嘌唑）納米纖維增強(qiáng)碳納米管/聚乙烯醇[30]雙層驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間 （～1min） ，但慢于不可降解的利用超親水通道設(shè)計(jì)的聚乙烯吡咯烷酮改性氧化石墨烯/瓊脂糖31復(fù)合薄膜驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間 （～0.43s） 二響應(yīng)時(shí)間差異可能歸因于上下層纖維網(wǎng)絡(luò)孔隙差異，能夠?qū)崿F(xiàn)定向擴(kuò)散，又或其形成超親水通道，提高水分子擴(kuò)散速率.這證明了本文開發(fā)的可降解薄膜驅(qū)動(dòng)器在響應(yīng)速度方面具有良好的競爭力，特別是在可降解類別中表現(xiàn)優(yōu)異.

2.8復(fù)合薄膜的降解性實(shí)驗(yàn)

明膠和微纖化纖維素作為膠原和纖維素的衍生物，均可以在自然界中發(fā)生降解.為了研究Gel/MFC/Zn²⁺ 的生物降解性，將 Gel/MFC/Zn²⁺ 復(fù)合薄膜裁剪成 1.5cm×1.5cm 的正方形后，將其置于濕潤的土壤表面模擬生物降解性實(shí)驗(yàn)，每隔24h對(duì)薄膜的形態(tài)進(jìn)行觀察，如圖9所示.由圖可以看出，復(fù)合薄膜在放置7d之后，表面變得粗糙、渾濁失去光澤，在兩周內(nèi)薄膜完全降解.這是因?yàn)槁裨谕寥乐幸欢〞r(shí)間的復(fù)合薄膜可能會(huì)被土壤中的微生物分解.總之，制備的復(fù)合薄膜柔性驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)異的生物降解性，可顯著降低環(huán)境污染與廢物處理成本，符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能減排的要求.

圖9Gel/MFC/ Zn²⁺ 復(fù)合薄膜置于土壤表面的降解

3結(jié)論

本文提出了一種新型可降解柔性驅(qū)動(dòng)器的制備策略，其通過利用金屬離子和明膠、纖維素之間的相互作用力和氯化鋅的吸水特性，同時(shí)調(diào)節(jié)了柔性驅(qū)動(dòng)器不同區(qū)域的機(jī)械性能和吸水性能，從而構(gòu)建了具有雙層結(jié)構(gòu)的柔性驅(qū)動(dòng)器.在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)過程中，雙層結(jié)構(gòu)的柔性驅(qū)動(dòng)器不僅驅(qū)動(dòng)角度更大，驅(qū)動(dòng)速率更快，而且回復(fù)完全.此外，通過多種驅(qū)動(dòng)性能演示也展現(xiàn)了制備的驅(qū)動(dòng)器良好的應(yīng)用潛力.本文提供的策略有助于進(jìn)一步開發(fā)各種功能的可降解柔性驅(qū)動(dòng)器，擴(kuò)大其在智能建筑、醫(yī)療、仿生等領(lǐng)域的應(yīng)用.

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