一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法，其特征是将静电纺丝技术与水凝胶制备技术相结合，选取聚乙烯醇缩丁醛纤维和纳米木浆纤维素作增强相，分别在材料结构和材料成分角度提高水凝胶材料的力学强度，制备出兼顾变形能力和力学强度的高强度光控智能水凝胶驱动器，本发明专利技术所制备出的高强度光控智能水凝胶驱动器生产成本低，加工制造方便，适用范围广。

A preparation method of high intensity photo controlled intelligent hydrogel driver

The invention discloses a preparation method of a high-strength photocontrolled intelligent hydrogel driver, which is characterized in that the electrospinning technology is combined with the hydrogel preparation technology, and the polyvinyl butyral fiber and the nano-Wood pulp cellulose are selected as reinforcing phases to improve the mechanical strength of the hydrogel material from the angle of material structure and material composition, respectively. Intelligent high-intensity light-controlled hydrogel driver with both deformation ability and mechanical strength is prepared. The high-intensity light-controlled intelligent hydrogel driver prepared by the invention has low production cost, convenient processing and manufacturing, and wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法
本专利技术涉及材料领域，特别涉及一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法。技术背景水凝胶通过自身独特的三维网络结构展现出显著的吸水能力，目前以广泛应用在医药科学、传感器、软材料等领域。由于适用范围广泛，由N-异丙基丙烯酰胺和合成硅酸镁锂交联形成的温敏型水凝胶被视为柔性机器人，软体驱动器和4D打印的候选材料。基于温度响应型水凝胶，通过添加金纳米棒，碳纳米管，氧化石墨烯等将光响应转化为热量，能够实现温敏型水凝胶在光控条件下的吸水、失水特性。通过相应的结构设计，由光敏型水凝胶制备的水凝胶驱动器能够实现诸如：抓取-释放、移动等功能。与温度响应型水凝胶相比，光响应型水凝胶具有非接触控制的特点，避免了环境温度的限制。而且凭借着实用性、便利性以及生物适应性，以近红外光作为光源，可以进一步扩大光敏型智能水凝胶的应用范围。力学强度是水凝胶驱动器应用的前提条件。如何解决目前水凝胶驱动器力学强度普遍较低的问题，成为水凝胶驱动器设计与制备中的瓶颈。为解决该问题，国内外学者开展了大量的研究工作，主要集中在改变水凝胶的交联方式和添加增强相的方法。这些方法虽然取得了一定成效，但仍存在着诸多不足之处。首先，改变交联方式会在一定程度上，增加水凝胶制备过程的复杂性，增加制备成本，不利于工程化应用；其次，增强相的选择、制备和应用有诸多条件限制，这会限制水凝胶驱动器的应用范围；最后，单纯的从材料成分角度出发去改变水凝胶驱动器的力学强度会在一定程度上弱化其变形能力。因此，如何开发一种既可以具有较高力学强度，又能兼具良好的近红外光变形性能的光控水凝胶驱动器亟待进一步研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是从材料成分和材料结构的角度出发，兼顾光控水凝胶驱动器的力学强度和变形性能将静电纺丝技术与水凝胶合成技术相结合，开发一种简便、稳定、高效的智能水凝胶驱动器的制备方法。本专利技术将静电纺丝技术与近红外光响应智能水凝胶制备技术相结合，将具有相对较高的机械强度和抗冲击性能的聚乙烯醇缩丁醛纤维和能增加水凝胶粘稠度的纳米木浆纤维素，整合到水凝胶驱动器材料中。以材料成分和材料结构为出发点，突破传统智能材料制备方法的限制，为工程领域内兼具力学强度与变形能力的高强光控智能水凝胶驱动器的制备提供一种行之有效的方法。本专利技术的制备方法：本专利技术以模具成型技术为制备方法基础，以N-异丙基丙烯酰胺型智能水凝胶为主体材料，氧化石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源，以纳米木浆纤维素和聚乙烯醇缩丁醛纤维为增强相。通过原位自由基聚合反应，制备出结构稳定性好、力学强度高、变形效率高的高强度光控智能水凝胶驱动器。具体过程如下：1、聚乙烯醇缩丁醛纤维的制备。选取聚乙烯醇缩丁醛(航空级)和无水乙醇(分析纯)作原始材料。聚乙烯醇缩丁醛溶液的浓度为7wt.％～7.5wt.％。将聚乙烯醇缩丁醛粉末置入无水乙醇中，在磁力搅拌器中搅拌均匀。用两支2mL注射器吸入适量的聚乙烯醇缩丁醛溶液，并分别将注射器安装在静电纺丝机的左右推注泵上，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式。左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV的正高压。注射器针头与接收器间的距离固定保持在10～11cm。接通左右注射器的电压，进行纺丝。2、光控智能水凝胶材料的合成。以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLG型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作光热转化相。单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为0mg/mL～3mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL。交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％。3、按照2中所示的配比，在冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟。4、将制备好的光控智能水凝胶材料注入组合模具中，刮平之后将聚乙烯醇缩丁醛纤维铺在该水凝胶层之上，随后于纤维层之上加入新的水凝材料，再次刮平后将模具密封，并置于25℃～27℃环境下静置24～26小时成型。至此，完成高强度光控智能水凝胶驱动器的制备。为保证水凝胶驱动器的变形功能，本专利技术将纳米木浆纤维素浓度为1mg/mL～3mg/mL的水凝胶材料与纳米木浆纤维素浓度为0mg/mL水凝胶材料进行组合。各个水凝胶层中均含有聚乙烯醇缩丁醛纤维。本专利技术的有益效果：1、本专利技术以模具成型技术为制备方法，将通过静电纺丝技术得到的聚乙烯醇缩丁醛纤维置于各个水凝胶层中，与纳米木浆纤维素相对应，分别在材料成分和材料结构角度提高光控智能水凝胶驱动器的力学强度。制备简单、生产成本低、加工效率高。2、该型光控智能水凝胶驱动器为两层结构，各层材料均为同种单体与交联剂。通过原位自由基聚合，两层间具有极高的结合强度，实现了变形过程的稳定性。3、聚乙烯醇缩丁醛纤维与水凝胶基体有良好的结合，不存纤维隔断水凝胶材料的现象，保证了光控水凝胶驱动器良好的力学强度。本专利技术所制备的高强度光控智能水凝胶驱动器可以加工成各种形状。在高强度条件下，具备良好的变形性能，应用范围广泛。附图说明图1是本专利技术静电纺丝技术得到的聚乙烯醇缩丁醛纤维微观形貌图。图2是本专利技术的制备过程示意图。图3是本专利技术纳米木浆纤维素含量为2mg/mL时的水凝胶微观形貌图。图4是本专利技术聚乙烯醇缩丁醛纤维在纳米木浆纤维素含量为3mg/mL的水凝胶基体中的分布图。图5是本专利技术的应力应变变化图。图6是本专利技术近红外光刺激下的变形图片。具体实施方式请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示：实施例1：制取纳米木浆纤维素含量为1mg/mL的高强度光控智能水凝胶驱动器选取航空级聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按浓度7wt.％～7.5wt.％配制聚乙烯醇缩丁醛溶液，用两支装有聚乙烯醇缩丁醛溶液的2mL注射器分别安装在静电纺丝机的左右推注泵上，左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV～11kV的正高压，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式，注射器针头与接收器间的距离固定保持在10cm～11cm。接通电压，进行纺丝，所得到的的聚乙烯醇缩丁醛纤维如图1所示，以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLG型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作光热转化相，单体、引发剂和催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为1mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL，交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％，在冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，本专利技术将静电纺丝技术与水凝胶制备技术相结合，选取聚乙烯醇缩丁醛纤维和纳米木浆纤维素作增强相，分别在材料结构和材料成分角度提高光控智能水凝胶驱动器的力学强度，制备出兼顾变形能力和力学强度的高强度光控智能水凝胶驱动器，成型效率高、样品结构稳定性好、制备成本低，聚乙烯醇缩丁醛纤维与水凝胶基体具有牢固的结合强度；具体步骤如下：一、聚乙烯醇缩丁醛纤维的制备，选取聚乙烯醇缩丁醛(航空级)和无水乙醇(分析纯)作原始材料，聚乙烯醇缩丁醛溶液的浓度为7wt.％～7.5wt.％，将聚乙烯醇缩丁醛粉末置入无水乙醇中，在磁力搅拌器中搅拌均匀，用两支2mL注射器吸入适量的聚乙烯醇缩丁醛溶液，并分别将注射器安装在静电纺丝机的左右推注泵上，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式，左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV的正高压，注射器针头与接收器间的距离固定保持在10～11cm，接通左右注射器的电压，进行纺丝；二、光控智能水凝胶材料的合成，以N‑异丙基丙烯酰胺作单体，XLG型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作光热转化相，单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为0mg/mL～3mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL，交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％；三、按照步骤二中所示的配比，在冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N‑异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟；四、将制备好的光控智能水凝胶材料注入组合模具中，刮平之后将聚乙烯醇缩丁醛纤维铺在该水凝胶层之上，随后于纤维层之上加入新的水凝材料，再次刮平后将模具密封，并置于25℃～27℃环境下静置24～26小时成型，至此，完成高强度光控智能水凝胶驱动器的制备，为保证水凝胶驱动器的变形功能，本专利技术将纳米木浆纤维素浓度为1mg/mL～3mg/mL的水凝胶材料与纳米木浆纤维素浓度为0mg/mL水凝胶材料进行组合，各个水凝胶层中均含有聚乙烯醇缩丁醛纤维。...

【技术特征摘要】
1.一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，本发明将静电纺丝技术与水凝胶制备技术相结合，选取聚乙烯醇缩丁醛纤维和纳米木浆纤维素作增强相，分别在材料结构和材料成分角度提高光控智能水凝胶驱动器的力学强度，制备出兼顾变形能力和力学强度的高强度光控智能水凝胶驱动器，成型效率高、样品结构稳定性好、制备成本低，聚乙烯醇缩丁醛纤维与水凝胶基体具有牢固的结合强度；具体步骤如下：一、聚乙烯醇缩丁醛纤维的制备，选取聚乙烯醇缩丁醛(航空级)和无水乙醇(分析纯)作原始材料，聚乙烯醇缩丁醛溶液的浓度为7wt.％～7.5wt.％，将聚乙烯醇缩丁醛粉末置入无水乙醇中，在磁力搅拌器中搅拌均匀，用两支2mL注射器吸入适量的聚乙烯醇缩丁醛溶液，并分别将注射器安装在静电纺丝机的左右推注泵上，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式，左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV的正高压，注射器针头与接收器间的距离固定保持在10～11cm，接通左右注射器的电压，进行纺丝；二、光控智能水凝胶材料的合成，以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLG型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵骞，梁云虹，张志辉，韩志武，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22