一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料及其制备方法与应用。所述水定向传输材料为具有光热转化能力的管状结构，所述管状结构的内壁修饰热敏性水凝胶；所述管状结构由支撑骨架和掺杂于所述支撑骨架中的光热转换材料制成；所述热敏性水凝胶通过自由基聚合的方式修饰于所述管状结构的内壁上。本发明专利技术提供的水定向传输材料，具有制备简单、易操作，原材料价格低廉，适用于大规模生产；可利用太阳光这种普遍存在，绿色的能源作为驱动力源，是一种低碳绿色的传输方式；能够通过改变光照强度的方式对水传输的速度进行调变；通过改变光照方向可以远程调控水传输的方向；通过开启关闭光源，实现对水传输的启动和停止。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料及其制备方法与应用，属于功能材料领域。
技术介绍
水可控、定向传输对于水收集、生物检测、海水淡化和油水分离等领域具有十分重要的理论和现实意义，现有的水传输技术主要是基于预设的表面各向异性结构和浸润性，水传输设备制备过程复杂，制备过程能耗高，利用其进行水收集时效率低下，且不具备水定向传输的方向的可控性和远程可控性，无法对水传输进行远距离的启动、停止和方向性的控制，这严重制约了相关领域的发展，无法满足现实的需求。在所有外界刺激响应源中，光能以其丰富、廉价和绿色等优点受到广泛的关注，通过一定的技术手段实现光热、光机械和光电等的转换因此受到广泛研究。此外，聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶是近年来研究广泛的热敏性高分子，在温度高于最低临界相转变温度时，材料本身由于甲基疏水段的裸露，释放出氨基和羟基周围环绕的水分子，因而发生可逆性的结构踏缩和疏水性变化，且该过程具有十分良好的可逆性，在温度低于最低临界相转变温度时，高分子材料体积和亲水性得到恢复。然而，聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶机械稳定性差，成型困难，单纯的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶相转变温度无法调节。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料，该材料可以在光照条件下发生内壁的可逆性塌缩和膨胀，因此内径逐渐增加，与此同时，其浸润性可由亲水向疏水转变，因此，水在Laplace压差和表面浸润性各向异性的作用下，向着内径更窄，表面更加亲水的方向移动，也就是与光照方向相反的方向移动，并且水的传输、停止和方向可以通过光照进行控制。具体地，本专利技术所提供的基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料，为具有光热转化能力的管状结构，所述管状结构的内壁修饰热敏性水凝胶。修饰所述热敏性水凝胶后的所述管状结构的内径为毫米级别，其长度为分米和米级别以上；即本专利技术水定向传输材料的微观结构呈管状，内径为毫米级别，其长度为分米和米级别以上。所述水定向传输材料中，所述管状结构由支撑骨架和掺杂于所述支撑骨架中的光热转换材料制成；所述光热转换材料的掺杂量可为所述支撑骨架质量的0.01～1.0％，如0.025％。所述水定向传输材料中，所述支撑骨架可由聚二甲氧基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃、橡胶或树脂制成，作为外部的支撑结构；所述光热转换材料可为还原氧化石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或氮化碳；所述还原氧化石墨烯具有优异的化学稳定性和较高的光热转换效率，可以将自然光迅速转化为热能，可由氧化石墨烯经还原得到，如化学还原、热还原、光照还原或辐照还原等方式，采用化学还原时，可采用水合肼或碘化氢作为还原剂。所述水定向传输材料中，所述热敏性水凝胶通过自由基聚合的方式修饰于所述管状结构的内壁上，与内壁紧密贴合。所述水定向传输材料中，所述热敏性水凝胶可为聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶或聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶衍生物；所述聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶衍生物可为聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶末端修饰物(如聚端氨基N-异丙基丙烯酰胺水凝胶、聚双烷基N-异丙基丙烯酰胺水凝胶等)、聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶嵌段共聚物(如聚N-异丙基丙烯酰胺丙烯酸共聚物水凝胶)或基于N-异丙基丙烯酰胺的共聚物(如聚甲基丙烯酸N-异丙基丙烯酰胺共聚物水凝胶)。本专利技术提供的水定向传输材料具有光热转化能力的管状结构，内壁修饰有热敏性高分子水凝胶，光照条件下管内壁发生可逆的内径扩大，疏水性变化，水滴会向着内径较小，更亲水的方向定向移动，也就是与光照相反的方向传输，如图1所示；在光照方向改变后，水滴传输的方向也发生相应的变化。本专利技术水定向传输材料，可通过如下方式制备：通过建立管状的柔性骨架，在骨架中预混入光热转换材料，得到具有光热转换能力的管状结构，利用光引发聚合的方式在管内壁均匀地修饰热敏性的水凝胶高分子，即可制备出光响应水定向传输材料。具体地，本专利技术提供的所述水定向传输材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在毛细管外预涂覆涂层，然后涂覆所述支撑骨架和所述光热转换材料的混合液，经固化后浸泡于有机溶剂中，经剥离得到所述具有光热转化能力的管状结构；所述涂层和所述支撑骨架在所述有机溶剂中的溶胀率不同；(2)在所述具有光热转化能力的管状结构的内壁修饰所述热敏性水凝胶，即得到所述水定向传输材料。上述的制备方法中，步骤(1)中，所述涂层由下述材料涂覆得到：1)水溶性高分子，如聚乙二醇、聚丙烯酰胺或聚碳酸酯等；2)熔点较低的有机溶剂，如石蜡等。步骤(1)中，通过蘸涂的方式涂覆所述混合液；所述固化的温度为60～120℃，时间为0.5～12小时；所述有机溶剂可为四氢呋喃、二甲亚砜、氯仿或丙酮；由于所述支撑骨架和所述涂层在所述有机溶剂中的溶胀率不同，所以制备得到的管状结构会从所述毛细管上自动剥离。当所述支撑骨架采用聚二甲氧基硅氧烷时，可采用商用Sylagrd184硅橡胶A和B组分混合固化得到；当所述光热转换材料采用还原氧化石墨烯时，剥离完成后还包括将氧化石墨烯进行还原的步骤，如将所述管状结构置于密闭容器中，通过在容器中加入水合肼实现化学还原，还原剂包括但不限于使用水合肼，也可使用碘化氢等作为还原剂，还原方式包括但不限于使用化学还原，也可以热还原、光照还原和辐照还原。上述的制备方法中，步骤(2)中，通过自由基聚合的方式修饰所述热敏性水凝胶；优选通过紫外光响应自由基聚合的方式修饰所述热敏性水凝胶；所述自由基聚合采用的光引发剂可为二苯甲酮、光起始剂-184(Irgacure184)、1-羟环己基苯酮或2-异丙基硫杂蒽酮。具体步骤可为：将所述管状结构浸泡于所述光引发剂的溶液中，利用所述光引发剂光照产生的自由基引发制备所述热敏性水凝胶的单体的聚合；如采用N-异丙基丙烯酰胺单体时，可加入聚乙烯亚胺，其能够调节聚N-异丙基丙烯酰胺的最低相转变温度，并且增加其形变量。本专利技术提供的水定向传输材料，具有光热转化能力的管状结构(如聚二甲氧基硅氧烷/还原氧化石墨烯管状结构)，内壁修饰有热敏性的高分子水凝胶(如聚N-异丙基丙烯酰胺)，光照条件下管内壁发生可逆的内径扩大，疏水性变化，水滴会向着内径较小，更亲水的方向定向移动，也就是与光照相反的方向传输。在光照方向改变后，水滴传输的方向也发生相应的变化。本专利技术提供的水定向传输材料，具有制备简单、易操作，原材料价格低廉，适用于大规模生产；可利用太阳光这种普遍存在，绿色的能源作为驱动力源，是一种低碳绿色的传输方式；能够通过改变光照强度的方式对水传输的速度进行调变；通过改变光照方向可以远程调控水传输的方向；通过开启关闭光源，实现对水传输的启动和停止。附图说明图1为基于光响应结构可逆重塑的水定向传输示意图。图2为本专利技术制备的基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料的微观结构图。图3为本专利技术制备的基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料的剖面光学(左图)和扫描电子显微镜照片(右图)。图4为不同光照强度下本专利技术制备的水定向传输材料的内径的变化情况。图5为本专利技术制备的基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料的透过率曲线。图6不同光照强度下本专利技术制备的水定向传输材料的外壁以及聚二甲氧基硅氧烷管的升温情况以及关灯后温度下降情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料，其特征在于：所述水定向传输材料为具有光热转化能力的管状结构，所述管状结构的内壁修饰热敏性水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种基于光响应结构可逆重塑的水定向传输材料，其特征在于：所述水定向传输材料为具有光热转化能力的管状结构，所述管状结构的内壁修饰热敏性水凝胶。2.根据权利要求1所述的水定向传输材料，其特征在于：所述管状结构由支撑骨架和掺杂于所述支撑骨架中的光热转换材料制成；所述光热转换材料的掺杂量为所述支撑骨架质量的0.01～1.0％。3.根据权利要求2所述的水定向传输材料，其特征在于：所述支撑骨架由聚二甲氧基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃、橡胶或树脂制成；所述光热转换材料为还原氧化石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或氮化碳。4.根据权利要求1-3中任一项所述的水定向传输材料，其特征在于：所述热敏性水凝胶通过自由基聚合的方式修饰于所述管状结构的内壁上。5.根据权利要求1-4中任一项所述的水定向传输材料，其特征在于：所述热敏性水凝胶为聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶或聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶衍生物。6.权利要求1-5中任一项所述水定向传输材料的制备方法，包括如下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿洪亚，曲良体，李春，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11