一种在电场中定向移动的智能水凝胶制备方法技术

本发明专利技术公开了一种在电场中定向移动的智能水凝胶制备方法。包括通过将单体丙烯酸、丙烯酰胺、交联剂Ｎ，Ｎ－亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵、催化剂Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ′－四甲基乙二胺、溶剂水等反应原料在在氮气保护下，在４０～６０℃温度下反应１２～４８小时；然后形成聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的双层水凝胶，该水凝胶具有电场响应性。如将该水凝胶制成特定结构，即可得到在电场中定向移动水凝胶。本发明专利技术智能水凝胶对电场的响应速率快，该方法操作简单，易于控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属智能高分子材料制备领域，特别是涉及。
技术介绍
对于含有离子基团的高分子凝胶，当环境的pH值、离子浓度、温度、光照、电磁场或特定化学物质发生变化时，凝胶的体积也发生变化，有时还出现相转变，体积急剧扩张或收缩(高达数百倍)。这些在外部刺激下经历了形状和尺寸的变化且产生收缩力的体系，称为化学机械体系，这样的体系能可逆地把化学能直接转化为机械能。与金属、半导体硅等做成的封闭系统不同，凝胶是一个热力学“开放”系统，它通过自己所含有的液体与外界交换化学物质做功，从而改变其分子状态，对环境的变化作出柔和的反应。高分子链上带有可离子化基团的凝胶称为电解质凝胶。只要是网络上带有电荷，无论是合成高分子还是天然高分子，所有的电解质凝胶对电场作用都有反应。如荷负电的聚阴离子电解质凝胶聚乙烯醇/聚丙烯酸(钠)、丙烯酸一丙烯酰胺共聚凝胶(或部分水解PAAm)；聚阳离子电解质凝胶，如壳聚糖/聚乙二醇CS/PEG；同时含有阴阳离子的水凝胶，如明胶/聚羟乙基丙烯酸甲酯。这些水凝胶在接触电场作用下产生电收缩、非接触电场下发生弯曲等。这些性质与高分子链上密度较大的固定电荷的存在以及高分子网络结构有关。众所周知，生物系统的大部分(如人体肌肉)都是由柔软而含有水分的物质—凝胶组成的。有的生物(海参)甚至连骨骼等硬的构造都没有，除了极原始的器官以外，其大部分都是有由水及凝胶材料组成。然而，海参不但能够从周围环境中吸取养分、繁衍子孙，而且还能防御外敌的侵犯。如果有谁用手去碰一下海参柔软的身体，它就会一下变得像木头一样坚硬。如果将海参在手中紧捏一会儿，它就会慢慢地溶变成滑溜溜的液体从你的手中逃走。近些年来，科学家们受到这类自然现象的启示，开始对凝胶倾注了越来越多的关注。高分子水凝胶作为软湿件材料已成为智能高分子材料中的重要研究领域，这类凝胶在柔性执行元件、人造肌肉、微机械、分离膜、生物材料等方面呈现出诱人的应用前景。但目前对电场下相应的水凝胶的研究多在理论领域，采用双层水凝胶在直流电场中定向移动的专利技术还十分少见。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供，该方法操作简单，易于控制，水凝胶对电场的响应速率快。本专利技术的，包括下列步骤(1)将蒸馏过的丙烯酸单体溶解在水中，用NaOH溶液调pH值到7.0-8.0，最后丙烯酸的溶液的浓度为10mg-30mg/ml；(2)采用超薄的5cm×5cm的玻璃片做成模具，玻璃片之间的厚度设在0.1-0.3cm，将模具固定后放入到丙烯酸的溶液中去；(3)分别称取0.10-0.30g交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(BAAm)和0.20-0.40g催化剂N，N，N’，N’-四甲基乙二胺(TEMED)，放入到丙烯酸的溶液中去；(4)将容器抽空灌氮。称取0.30-0.50g引发剂过硫酸铵(APS)于烧杯中，加蒸馏水配成溶液；(5)将APS溶液注入到前面的反应液中，在40-60℃水浴中反应12-48小时。反应结束后，将所得到的膜从玻璃片上轻轻剥下，浸入蒸馏水中去除未反应的单体AA和催化剂等，约6小时换一次水，洗三天左右，接着调整玻璃片的厚度，随后将洗好的PAA贴在一块玻璃板上，形成新的模具；(6)把提纯过的0-6g丙烯酰胺单体溶解在水中，用NaOH溶液将溶液的pH值调到7.0-8.0。采用相同的方法加入同样量的N，N-亚甲基双丙烯酰胺(BAAm)，N，N，N’，N’-四甲基乙二胺(TEMED)，过硫酸铵(APS)。随后，放入模具，将容器抽空灌氮在40-60℃水浴中反应3-9小时。反应结束后，将膜从玻璃片上轻轻剥下，浸入蒸馏水中去除未反应的单体AAm和催化剂等。约6小时换一次水，洗三天左右。本专利技术的原料来源如下过硫酸铵(Ammonium Persulfate)，化学纯，(NH4)2S2O8，上海爱建试剂厂。N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(N，N’-Methylene-bis-acrylamide)，化学纯，C7H10N2O2，中国医药(集团)上海化学试剂公司。丙烯酰胺(Acrylamide)，C3NH5O，化学纯，上海化学试剂采购供应站，使用前经重结晶提纯。N，N，N’，N’-四甲基乙二胺(N，N，N’，N’-Tetramethylethylenediamine)，化学纯，上海百灵威化学技术有限公司，进口分装。丙烯酸(Acrylic acid)，C3H4O2，化学纯，中国医药(集团)上海化学试剂公司，使用前减压蒸馏提纯。氢氧化钠(Sodium hydroxide)，NaOH，分析纯，上海菲达工贸有限公司。硫酸钠(sodium sulfate)，Na2SO4，分析纯，上海振兴化工二厂。本专利技术聚丙烯酸(PAA)/聚丙烯酰胺(PAAm)双层水凝胶电响应测试，取PAA/PAAm双层水凝胶样条，用铝箔制成的夹子固定，竖直浸入电响应池中，如图1所示。该电响应池为自行设计，两端电极为Pt片所制，电解质溶液为0.01mol/L的Na2SO4，实验过程中水凝胶样条一直没在溶液中。通过秒表记录响应时间。本专利技术PAA/PAAm双层水凝胶的电刺激响应性电解质凝胶在电场作用下的电收缩现象是由水分子的电渗透效果引起的。在外电场下，高分子链上的离子与其对离子受到相反方向静电场力的作用。由于高分子离子被固定在网络上，因此它们不能在电场下移动；低分子离子则在电场下作泳动，水和在低分子离子周围的水分子也随着离子一起移动。在电极附近低分子离子因电化学反应而变成中性，从而水合分子从凝胶中释出，使凝胶脱水收缩。网络上带正电的凝胶，在电场作用下水从阳极放出；带负电时凝胶的水则从阴极释放。在一定的溶胀度下，凝胶的电收缩量与流过凝胶的库仑电荷量成正比。凝胶的电收缩速度与溶胀度成正比，溶胀度越大单位电荷所引起的收缩量越大。Gong认为，在一定电场强度下，导致凝胶中电收缩快慢的原因是在不同的溶胀度的情况下，高分子链对水分子的摩擦抵抗力不同，并提出了凝胶电收缩的一维毛细管模型。根据这个模型，可得到凝胶的电收缩速度与电场强度成正比，与水的粘度成反比的结论。并还发现，单位库仑电流量所引起的收缩量与凝胶的电荷密度成反比，而与电场强度无关。Shiga等人研究了在非接触电场中聚离子凝胶的弯曲行为。在电场作用下，凝胶的溶胀、收缩或弯曲依赖于胶体中的聚离子浓度。凝胶的变形是由两个原因引起的一是凝胶内外离子浓度差引起的渗透压变化；二是聚合物网络内聚离子浓度减少引起的组分变化。根据电化学理论，电解质溶液的导电是依赖正、负两种离子各向反方向迁移以运输电量的结果。当接通电解质溶液中的两个电极板时，两个电极板间存在电位差，离子作定向运动，正离子移向负极，负离子移向正极，同时在电极板上发生化学反应。在电场作用下，电解质溶液中的离子产生定向迁移，如Na2SO4溶液中靠近阳极板的区域是富-SO42-和-OH-区，阴极板附近是富Na+和H+区，在两个极板间的整个体系中产生了离子浓度梯度，而离子浓度梯度正是产生渗透压差从而导致凝胶弯曲的主要根源。由于电场作用下离子浓度梯度的形成，凝胶与周围电解质溶液之间存在渗透压差Δπ。此时，凝胶就像是处在受热状态的具有不同导热系数的双金属片一样，由于存在导热系数的差别，不同金属片受热膨胀速度快慢不同，因而双金属片受热弯曲。由于离子浓度梯度引起的凝胶内外渗透压差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在电场中定向移动的智能水凝胶制备方法，包括下列步骤：（１）将蒸馏过的丙烯酸单体溶解在水中，用ＮａＯＨ溶液调ｐＨ值到７．０－８．０，最后丙烯酸的溶液的浓度为１０ｍｇ－３０ｍｇ／ｍｌ；（２）采用超薄的５ｃｍ×５ｃｍ的玻璃片做 成模具，玻璃片之间的厚度设在０．１－０．３ｃｍ，将模具固定后放入到丙烯酸的溶液中去；（３）分别称取０．１０－０．３０ｇ交联剂Ｎ，Ｎ－亚甲基双丙烯酰胺（ＢＡＡｍ）和０．２０－０．４０ｇ催化剂Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－四甲基乙二胺（ＴＥＭＥＤ ），放入到丙烯酸的溶液中去；（４）将容器抽空灌氮。称取０．３０－０．５０ｇ引发剂过硫酸铵（ＡＰＳ）于烧杯中，加蒸馏水配成溶液；（５）将ＡＰＳ溶液注入到前面的反应液中，在４０－６０℃水浴中反应１２－４８小时。反应结束后，将所得 到的膜从玻璃片上轻轻剥下，浸入蒸馏水中去除未反应的单体ＡＡ和催化剂等，约６小时换一次水，洗三天左右，接着调整玻璃片的厚度，随后将洗好的ＰＡＡ贴在一块玻璃板上，形成新的模具；（６）把提纯过的０－６ｇ丙烯酰胺单体溶解在水中，用ＮａＯＨ溶 液将溶液的ｐＨ值调到７．０－８．０。采用相同的方法加入同样量的Ｎ，Ｎ－亚甲基双丙烯酰胺（ＢＡＡｍ），Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－四甲基乙二胺（ＴＥＭＥＤ），过硫酸铵（ＡＰＳ）。随后，放入模具，将容器抽空灌氮在４０－６０℃水浴中反应３－９小时。反应结束后，将膜从玻璃片上轻轻剥下，浸入蒸馏水中去除未反应的单体ＡＡｍ和催化剂等。约６小时换一次水，洗三天左右。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪山献松，金巧蓉，吴承训，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]