一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法技术

本发明专利技术公开了一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。本发明专利技术以人造水辉石为交联剂，并引入氧化石墨烯，通过丙烯酰胺类单体聚合，制备得到物理交联的水凝胶，然后经过拉伸及烘干，并将部分凝胶二次吸水处理，得到水凝胶致动器；该水凝胶致动器可通过近红外光照射控制实现扭转和提拉的动作，从而实现非接触式控制下致动器跨越障碍运送物体的过程。

Near infrared photodynamic hybrid hydrogel actuator and preparation method and actuating method thereof

The invention discloses a hybrid hydrogel actuator actuated by near infrared light, a preparation method and an actuating method thereof. The invention adopts artificial pyroxene as a crosslinking agent, and introduces graphene oxide to prepare a physically crosslinked hydrogel through polymerization of acrylamide monomer. After stretching and drying, the gel is actuated by two times of water absorption of some gels, and the hydrogel actuators can be controlled by near infrared light irradiation. The action of torsion and pulling is realized, thus realizing the process of the actuator transporting objects across obstacles under non-contact control.

【技术实现步骤摘要】
一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法
本专利技术涉及功能性纳米复合材料的智能致动器材料领域，具体涉及一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。
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、致动条件温和等优点；而软物质致动器特别是水凝胶致动器在智能器件领域的发展日益受到关注。有机/无机杂化水凝胶是包含不相容的无机和有机成分，可以形成纳米尺寸复杂结构的功能材料，使水凝胶在力学强度、响应性等功能方面有了明显提高，其对新型致动器材料的开发和设计具有重要的启发和指导意义，将杂化水凝胶应用于智能致动器的设计与开发，是今后智能柔性材料的研究热点之一。在凝胶致动器的研究中，形状记忆凝胶致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致动器，但是现在的水凝胶致动器一般实现的仅为简单的提升、抓取等动作，并不能实现跨越障碍输送物体等复杂过程。我们通过引入具有高效快速的光-热转化能力的氧化石墨烯组分，结合温度响应性杂化水凝胶的刺激-响应性、高力学强度及大幅度的形变的承受力，将杂化水凝胶的温度响应性转化为近红外光响应性，从而可以实现对水凝胶刺激的远程非接触式控制，并通过控制水凝胶的含水量实现了干湿凝胶共存以同时实现提拉与跨越障碍的组合运动方式，制备了基于形状记忆水凝胶的近红外光致动的杂化水凝胶致动器。
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近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。本专利技术的近红外光致动的杂化水凝胶致动器是以人造水辉石为交联剂，并引入氧化石墨烯，通过丙烯酰胺类单体聚合，制备得到物理交联的水凝胶，然后经过拉伸及烘干，并将部分凝胶二次吸水处理，得到水凝胶致动器；借助该水凝胶致动器的干湿凝胶共存特性，可通过近红外光照射控制实现扭转和提拉等动作，从而实现非接触式控制下致动器跨越障碍运送物体的过程。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，包括如下步骤：（1）制备杂化水凝胶：将氧化石墨烯、人造水辉石、丙烯酰胺类单体在煮沸并冷却后的去离子水中搅拌均匀得到分散液，通入惰性气体以除去分散液中的氧气，然后加入引发剂和促进剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，最后将反应液加入到模具中并密封，通过聚合反应得到杂化水凝胶；（2）制备杂化水凝胶致动器：将步骤（1）制备的杂化水凝胶裁剪为长条状，将长条状水凝胶拉伸后固定并烘干，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀，将另一部分进行弯折固定，即得到杂化水凝胶致动器。进一步地，步骤（1）所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺。进一步地，步骤（1）所述惰性气体包括氮气和氩气，丙烯酰胺类单体相对于去离子水的浓度为0.5~3mol/L，人造水辉石相对于去离子水的质量分数为2%~5%，氧化石墨烯相对于去离子水的浓度为1~4mg/mL。进一步地，步骤（1）所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，促进剂为四甲基乙二胺，引发剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.3%~0.6%，促进剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.5%~1%，聚合反应在20℃进行10~48小时。进一步地，步骤（2）中拉伸倍数为水凝胶原长度的3~10倍，烘干温度为40~120℃，烘干时间为0.5~2h，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀时间为1~10min。以上所述的制备方法制得的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器。以上所述的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器致动方法，包括如下步骤：（1）将杂化水凝胶致动器泡水后重新溶胀的部分使用近红外光照射，此部分可以发生收缩从而完成提拉物体的功能；（2）将杂化水凝胶致动器的弯折部分使用近红外光照射，此部分可以由弯折转变为伸直状态，从而实现对物体的扭转使物体越过障碍。进一步地，所述近红外光波长范围为800~2500nm，步骤（2）所述近红外光照射水凝胶致动器弯折部分是对弯折处的照射。与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点与技术效果：1.本专利技术采用“一锅法”直接聚合得到水凝胶，与传统水凝胶相比，在聚合过程中不加入化学交联剂，合成方法简单，条件可控，水凝胶的性能更加优异。2.本专利技术可以通过控制添加单体与物理交联剂的量来调节水凝胶的强度，同时还可以通过调节近红外光光照射的时间来控制致动的幅度，有利于使致动器根据不同的使用领域和范围进行调节，适用范围更灵活可调。3.本专利技术所提供的杂化水凝胶致动器，创造性地使用干、湿凝胶相结合的方式，结合水凝胶的形状记忆性能，使致动器实现提拉、跨越障碍等多样化的动作。4.本专利技术所提供的杂化水凝胶致动器还可以通过对致动器所完成动作的程序化设计，实现致动器完成更加复杂的致动过程。5.本专利技术所提供的杂化水凝胶致动器，可通过近红外光远程、非接触式刺激水凝胶致动器，在不接触致动器的情况下，使凝胶实现提升和扭转的动作，可以实现对物体跨越障碍的运输；克服了传统水凝胶致动器完成动作简单、无法实现物体跨越障碍的缺陷。6.本专利技术所提供的近红外光致动的杂化水凝胶致动器，基于高力学强度水凝胶，可实现致动器动作的精确化设计，可进一步用于设计非接触式自发致动的柔性机器人、可穿戴设备等智能器件。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2mm，反应液在中间空腔内聚合成片状水凝胶；采用Huang等ACSAppl.Mater.Interfaces,2016,8,12384-12392文献公开的方法测定水凝胶的拉伸断裂强度、断裂伸长率及致动过程。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0.02g氧化石墨烯、0.4g人造水辉石、0.7108g丙烯酰胺单体分散在20mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.408mL过硫酸钾水溶液（20mg/mL）与0.005mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为60kPa，断裂伸长率为1800%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。实施例2在室温下将0.05g氧化石墨烯、0.6g人造水辉石、0.7108g丙烯酰胺单体分散在20mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.68mL过硫酸钾水溶液（20mg/mL）与0.01mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为100kPa，断裂伸长率为1680%；将制备的杂化水凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制备杂化水凝胶：将氧化石墨烯、人造水辉石、丙烯酰胺类单体在煮沸并冷却后的去离子水中搅拌均匀得到分散液，通入惰性气体以除去分散液中的氧气，然后加入引发剂和促进剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，最后将反应液加入到模具中并密封，通过聚合反应得到杂化水凝胶；（2）制备杂化水凝胶致动器：将步骤（1）制备的杂化水凝胶裁剪为长条状，将长条状水凝胶拉伸后固定并烘干，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀，将另一部分进行弯折固定，即得到杂化水凝胶致动器。

【技术特征摘要】
1.一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制备杂化水凝胶：将氧化石墨烯、人造水辉石、丙烯酰胺类单体在煮沸并冷却后的去离子水中搅拌均匀得到分散液，通入惰性气体以除去分散液中的氧气，然后加入引发剂和促进剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，最后将反应液加入到模具中并密封，通过聚合反应得到杂化水凝胶；（2）制备杂化水凝胶致动器：将步骤（1）制备的杂化水凝胶裁剪为长条状，将长条状水凝胶拉伸后固定并烘干，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀，将另一部分进行弯折固定，即得到杂化水凝胶致动器。2.如权利要求1所述的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺。3.如权利要求1所述的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述惰性气体包括氮气和氩气，丙烯酰胺类单体相对于去离子水的浓度为0.5~3mol/L，人造水辉石相对于去离子水的质量分数为2%~5%，氧化石墨烯相对于去离子水的浓度为1~4mg/mL。4.如权利要求1所述的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，杨述瑞，廖杰新，张袁铖，肖晓琳，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