一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法。苯硼酸水凝胶是由3‑丙烯酰胺基苯硼酸单体、丙烯酸类单体、2‑羟乙基甲基丙烯酸单体及化学交联剂N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺、无机交联剂人造水辉石通过自由基共聚得到；通过外力将水凝胶在碱性溶液中固定为临时形状得到水凝胶驱动器，该水凝胶驱动器可通过改变溶液的pH的方法使其在溶液中实现自发形状改变的驱动功能。本发明专利技术在水溶液中一步法合成苯硼酸水凝胶，无需先在有机溶剂中合成，克服了苯硼酸水凝胶合成过程中通常使用有机溶剂的缺点，同时消除了3‑丙烯酰胺基苯硼酸单体在水中溶解度低的弱点。此方法还在提高苯硼酸含量的同时避免了污染性和毒性有机溶剂的使用。

A self-driving phenylboronic acid hydrogel driver and its preparation method

The invention discloses a self-driving phenylborate hydrogel driver and a preparation method thereof. Phenylboronic acid hydrogel is prepared by free radical copolymerization of 3 acrylamide phenylboronic acid monomer, acrylic acid monomer, 2 hydroxyethyl methacrylic acid monomer and chemical crosslinking agent N, N'methylene bisacrylamide, inorganic crosslinking agent artificial hydropyroxene; hydrogel actuator is obtained by fixing hydrogel in alkaline solution as temporary shape by external force, and the hydrogel actuator can pass through. The method of changing the pH of the solution enables it to realize the driving function of spontaneous shape change in the solution. The present invention synthesizes phenylboronic acid hydrogel in one step in aqueous solution without first synthesizing in organic solvents, overcomes the shortcoming of using organic solvents in the process of synthesizing phenylboronic acid hydrogel, and eliminates the weakness of low solubility of 3 acrylamide phenylboric acid monomer in water. This method also improves the content of phenylboric acid and avoids the use of polluting and toxic organic solvents.

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法
本专利技术涉及功能性水凝胶的智能驱动器材料领域，具体涉及一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法。
技术介绍
水凝胶由于含有大量的水，并且具有完善的三维网络结构赋予其软物质的特性，具有弱刺激-强响应、少添加-大效果、驱动条件温和等优点；而软物质驱动器特别是水凝胶驱动器在智能器件领域的发展日益受到关注。在凝胶驱动器的研究中，形状记忆凝胶驱动器可以从临时形状回复到原始形状，为目前研究颇为广泛的一种水凝胶驱动器。但目前报道的形状记忆水凝胶驱动器的每一个驱动周期都需要先用外力将凝胶固定为一个临时形状（Chem.Sci.,2016,7,6715-6720，Polym.Chem.,2016,7,5343-53460），而无法实现凝胶自发的在临时形状与原始形状之间转换，因此凝胶驱动器的操作方式比较复杂，大大制约了水凝胶在驱动器领域的应用。苯硼酸水凝胶是包含苯硼酸基团的一种水凝胶，在碱性环境中可以与多羟基形成硼酸酯键，在酸性环境中又可以断开已经形成的硼酸酯键，具有特殊的pH响应性。但由于3-丙烯酰胺基苯硼酸在水中的溶解度不高，要得到含苯硼酸含量较高的水凝胶一般是先在有机溶剂中合成有机凝胶，然后再将有机凝胶浸泡在水中进行置换得到水凝胶（如：Macromol.RapidCommun.2013,34,63），此过程较为复杂，且引入的有机溶剂通常具有污染性或毒性，较难彻底除去，因此水凝胶的应用会大大受限。针对这些缺点，我们创造性地制备了一种具有pH响应性的苯硼酸水凝胶驱动器，使用2-羟乙基甲基丙烯酸单体溶解3-丙烯酰胺基苯硼酸单体，一方面提高3-丙烯酰胺基苯硼酸的溶解度，在提高苯硼酸含量的同时避免了有机溶剂的使用，另一方面两者还可以为水凝胶网络提供新的交联点，使凝胶具有较高的强度；再与同样具有pH响应的丙烯酸类水凝胶进行有机结合，以共聚的方式得到同时含有苯硼酸和丙烯酸的水凝胶，通过改变溶液的pH使水凝胶强度和溶胀度发生协同改变，可实现水凝胶的自发形状记忆和驱动的功能，为可持续自发驱动的水凝胶驱动器的制备提供新的思路和材料。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法。本专利技术的苯硼酸水凝胶是由3-丙烯酰胺基苯硼酸单体、丙烯酸类单体、2-羟乙基甲基丙烯酸单体及化学交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、无机交联剂人造水辉石通过自由基共聚得到；通过外力将水凝胶在碱性溶液中固定为临时形状得到水凝胶驱动器，该水凝胶驱动器可通过改变溶液的pH的方法使其在溶液中实现自发形状改变的驱动功能。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法，包括如下步骤：首先将人造水辉石分散在水中，然后加入丙烯酸类单体和化学交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀得到溶液1；再将3-丙烯酰胺基苯硼酸单体溶解在2-羟乙基甲基丙烯酸单体中，混合均匀得到溶液2；将溶液2加入到溶液1中混合均匀得到溶液3，然后在溶液3中通入惰性气体除去溶液中的氧气，再加入引发剂并混合均匀得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，引发聚合得到苯硼酸水凝胶；将制备的水凝胶在碱性溶液中使用外力改变凝胶的形状并固定1~10分钟，得到具有临时形状的水凝胶，即得到苯硼酸水凝胶驱动器；将驱动器放入酸性溶液中1~20分钟，临时形状可恢复为原始形状，将恢复为原始形状的水凝胶驱动器放入碱性溶液中1~20分钟，驱动器可在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状，再将水凝胶驱动器交替浸泡在酸性、碱性溶液中，该驱动器即可在临时形状与原始形状之间自发变化从而产生自驱动的效果。进一步地，所述人造水辉石用量为所加水质量的1~2%；所述化学交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的用量为所有单体总摩尔量的0.001~0.015%；所述丙烯酸类单体包括丙烯酸、甲基丙烯酸，其用量为2~4mol/L；所述的3-丙烯酰胺基苯硼酸单体的用量为0.03~0.15mol/L；所述的2-羟乙基甲基丙烯酸单体用量为0.5~2mol/L；所述惰性气体包括氮气、氩气；所述引发剂为热引发剂，包括过硫酸钾、过硫酸铵，在50~80°C中引发聚合3~24小时；所述引发剂的用量为所有单体总摩尔量的0.1%~0.5%；所述的碱性溶液包括NaOH、KOH，其浓度为0.1~1mol/L；所述的酸性溶液包括HCl、H2SO4、HNO3，其浓度为0.1~1mol/L；所述的临时形状是与水凝胶原始形状不同的形状。由以上所述制备方法制得的一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器。与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点与技术效果：本专利技术的苯硼酸水凝胶合成方法，创造性的使用2-羟乙基甲基丙烯酸单体溶解3-丙烯酰胺基苯硼酸单体，在水溶液中一步法合成苯硼酸水凝胶，无需先在有机溶剂中合成。克服了传统苯硼酸水凝胶合成过程中通常使用有机溶剂的缺陷，同时消除了3-丙烯酰胺基苯硼酸单体在水中溶解度低的弱点。同时，一方面，此方法还在提高苯硼酸含量的同时避免了污染性和毒性有机溶剂的使用，无需后续泡水置换二次处理的复杂过程；另一方面2-羟乙基甲基丙烯酸和3-丙烯酰胺基苯硼酸两种单体的联合引入还为水凝胶网络提供新的交联点，使凝胶具有较高的强度，并通过动态化学键使凝胶在酸性和碱性环境中具有不同的交联密度和强度。本专利技术的苯硼酸水凝胶驱动器，可通过控制溶液pH来调节水凝胶的溶胀和强度的协同变化，在不施加外力的情况下，可使水凝胶驱动器在溶液中在临时形状与原始形状之间多次可重复自发转变以产生持续的驱动力，克服了传统苯硼酸形状记忆水凝胶驱动器每个形状记忆周期都必须通过外力获得临时形状的缺陷。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步详细的描述。对实施例中得到的水凝胶，所用合成模具由两个玻璃板中间夹一个橡胶圈组成，橡胶圈厚度为1mm，反应液在中间空腔内聚合成片状水凝胶；采用Zhang等Adv.Funct.Mater.2018,28,1707245文献公开的方法测定水凝胶的拉伸断裂强度及形状记忆驱动过程。这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1在室温下将0.077g人造水辉石分散在7.765mL水中，然后加入1.37mL丙烯酸和2μLN,N'-亚甲基双丙烯酰胺水溶液(20mg/mL)，混合均匀得到溶液1，将0.573g3-丙烯酰胺基苯硼酸溶于0.525mL2-羟乙基甲基丙烯酸混合均匀后得到溶液2，将溶液2加入到溶液1中，快速搅拌得到均匀的溶液3，向溶液3中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.34mL过硫酸钾水溶液(20mg/mL)，搅拌均匀得到反应液，将反应液加入到模具中并密封，置于60°C反应3小时，得到苯硼酸水凝胶，其拉伸断裂强度约100kPa；将制备的苯硼酸水凝胶拧成螺旋形状固定在0.1mol/L氢氧化钠溶液中1分钟，该水凝胶定形，即得到苯硼酸水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1mol/L盐酸溶液中5分钟，驱动器恢复至原始形状，然后再浸泡在0.1mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，该水凝胶驱动器又自发变成之前的螺旋形状；接着再浸泡在0.1mol/L盐酸溶液中1分钟又恢复至原始形状，此驱动过程可重复10次。实施例2在室温下将0.115g人造水辉石分散在7.765mL水中，然后加入1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：首先将人造水辉石分散在水中，然后加入丙烯酸类单体和化学交联剂N, N'‑亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀得到溶液1；再将3‑丙烯酰胺基苯硼酸单体溶解在2‑羟乙基甲基丙烯酸单体中，混合均匀得到溶液2；将溶液2加入到溶液1中混合均匀得到溶液3，然后在溶液3中通入惰性气体除去溶液中的氧气，再加入引发剂并混合均匀得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，引发聚合得到苯硼酸水凝胶；将制备的水凝胶在碱性溶液中使用外力改变凝胶的形状并固定1~10分钟，得到具有临时形状的水凝胶，即得到苯硼酸水凝胶驱动器；将驱动器放入酸性溶液中1~20分钟，临时形状可恢复为原始形状，将恢复为原始形状的水凝胶驱动器放入碱性溶液中1~20分钟，驱动器可在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状，再将水凝胶驱动器交替浸泡在酸性、碱性溶液中，该驱动器即可在临时形状与原始形状之间自发变化从而产生自驱动的效果。

【技术特征摘要】
1.一种自驱动苯硼酸水凝胶驱动器及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：首先将人造水辉石分散在水中，然后加入丙烯酸类单体和化学交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀得到溶液1；再将3-丙烯酰胺基苯硼酸单体溶解在2-羟乙基甲基丙烯酸单体中，混合均匀得到溶液2；将溶液2加入到溶液1中混合均匀得到溶液3，然后在溶液3中通入惰性气体除去溶液中的氧气，再加入引发剂并混合均匀得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，引发聚合得到苯硼酸水凝胶；将制备的水凝胶在碱性溶液中使用外力改变凝胶的形状并固定1~10分钟，得到具有临时形状的水凝胶，即得到苯硼酸水凝胶驱动器；将驱动器放入酸性溶液中1~20分钟，临时形状可恢复为原始形状，将恢复为原始形状的水凝胶驱动器放入碱性溶液中1~20分钟，驱动器可在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状，再将水凝胶驱动器交替浸泡在酸性、碱性溶液中，该驱动器即可在临时形状与原始形状之间自发变化从而产生自驱动的效...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，廖杰新，杨述瑞，张袁铖，孙尉翔，童真，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44