一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用。该纤维束具有螺旋结构。制备方法包括：纺丝溶液制备，纳米纤维束制备，水凝胶纳米纤维束制备。该水凝胶纳米纤维束响应速度快，稳定性高，能更好地满足致动的需求。该方法简便易行，对制备致动材料具有重要的价值。

A Thermally Activated Hydrogel Nanofiber Bundle and Its Continuous Preparation and Application

The invention relates to a thermally actuated hydrogel nanofiber bundle and its continuous preparation and application. The fiber bundle has a helical structure. The preparation methods include: spinning solution preparation, nanofiber bundle preparation, hydrogel nanofiber bundle preparation. The hydrogel nanofiber bundle has fast response speed and high stability, and can better meet the needs of actuation. The method is simple and feasible, and has important value for the preparation of actuating materials.

【技术实现步骤摘要】
一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用
本专利技术属于致动器材料及其制备和应用领域，特别涉及一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备方法和应用。
技术介绍
柔性致动器与传统的机械设计不同，这是一类可受电、光和热等外场驱动的智能致动器，本身具有高自由度和多功能性，其组成是一类可高度变形的材料或复合物，在外界刺激下，能产生理想的形变并输出力。由于还可复合功能性材料，其在各种领域，例如人工肌肉、细胞支架、药物释放、传感、生物可降解材料等领域有着广泛的应用前景。为了产生理想的形变，大多数此类致动器是由低弹性模量的材料组成，或包含液体在其中。利用结构设计，高弹性模量材料也可用来制成柔性致动器，此类结构包括网状、泡沫、弹簧、片状、织线等，并可以集成在其他系统中。相对而言，非结构性的柔性致动器更能产生并保持大应变，具有更高的自由度和仿生度，能更好地复合其他功能性材料。水凝胶是一种高分子网络体系，能够吸收大量的水分，由于水凝胶十分柔软，且大多采用无毒材料，具有很好的生物相容性。特殊材料制成的水凝胶还能对外界的刺激(例如光、热、PH等)作出响应，改变自身的粘度、形状等。利用能够改变形状的响应性水凝胶材料则可以制备致动器。水凝胶致动器根据制备方法的不同，可得到纤维状或薄膜状器件。薄膜状器件的致动行为主要为弯曲及沿薄膜面方向的拉伸收缩；纤维状器件的致动行为则包括螺旋/解螺旋及沿纤维轴向的拉伸收缩。例如参考文献(AzadehMirabedinietal,SoftRobotics,2017,4,421)，作者使用湿法纺丝技术制备了壳聚糖水凝胶纤维，该纤维通过加捻形成螺旋结构；由于壳聚糖具有一定亲水性，因此在水中时，该纤维能够吸水发生解螺旋行为；当从水中取出，该纤维由于脱水会恢复螺旋结构；但该方法得到的水凝胶纤维在水中对热没有响应，仅对湿度有响应，必须从水中取出或重新放入水中才能产生致动行为。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用，以克服现有技术中水凝胶致动材料热致动性能不好的问题。本专利技术的一种热致动水凝胶纳米纤维束，所述纤维束具有螺旋结构，由取向的聚氨酯PU/聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM复合纳米纤维构成。所述PU和PNIPAM的质量比为10～15:15～20。本专利技术的一种连续化制备热致动水凝胶纳米纤维束的方法，包括：(1)将聚氨酯PU和聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM溶于溶剂中，得到纺丝溶液，其中以PU、PNIPAM和溶剂的总质量为基准，PU质量分数为10％～15％，PNIPAM质量分数为15％～20％；(2)对步骤(1)中纺丝溶液进行共轭静电纺丝，使用卷绕器形成螺旋结构，使用辊筒进行收集，得到纳米纤维束，紫外光交联处理，得到水凝胶纳米纤维束。所述步骤(1)中溶剂为二甲基甲酰胺DMF。所述步骤(1)中将聚氨酯PU和聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM溶于溶剂中的方法为：先将PU加入到溶剂中，并在50～70℃下搅拌12～24h；再加入PNIPAM，在20～30℃下搅拌6～12h，静置24～36h。所述步骤(2)中共轭静电纺丝的工艺参数为：推进速度为0.5～1ml/h，纺丝针头内径为0.5～1mm，相对湿度为20％～40％，温度为40～60℃，正电压为15～20kV，负电压为-15～-20kV，两个喷头之间间距为30～40cm，卷绕器旋转速度为800～1000r/min，滚筒接收器转动速度为3～5r/min。所述步骤(2)中紫外光交联处理的工艺参数为：紫外光波长为365nm，紫外光照射时间为6-12h，环境温度为20～30℃。本专利技术的一种热致动水凝胶纳米纤维束的应用。本专利技术以PU、PNIPAM作为溶质，以DMF作为溶剂，配制纺丝前驱体溶液；采用共轭静电纺丝法，使用卷绕器形成螺旋结构，使用辊筒进行收集，得到可以连续化制备的纳米纤维束；在一定波长的紫外光下，使纳米纤维束发生交联，得到热致动水凝胶纳米纤维束。本专利技术所制备的水凝胶纳米纤维束具有热致动性能，主要利用的是PNIPAM的相变原理，PNIPAM水凝胶在33℃左右时发生相变，由低温时的亲水性转变为高温时的疏水性，因此其体积也会由于吸水/脱水而发生明显的变化；由于纤维束具有取向螺旋结构，当温度较低时，纳米纤维会吸水膨胀，从而发生解螺旋行为；当温度升高时，纳米纤维脱水发生收缩，从而恢复到之前的螺旋结构；纳米纤维中的PU成分与水不发生反应，能够为整个纳米纤维束提供良好的力学强度；通过共轭静电纺丝法，可以连续化的制备纳米纤维束；该复合纤维具有优良的致动性能，能够应用在人工肌肉、柔性机器人、智能服装等多个领域。有益效果(1)本专利技术方法简便易行，对制备致动材料具有重要的价值；(2)本专利技术所制备的PU/PNIPAM水凝胶纳米纤维束，响应速度快，稳定性高，能更好地满足致动的需求；具有优良的致动性能，在水中能够对热刺激作出响应，在一定负荷下进行螺旋/解螺旋致动；(3)本专利技术所制备的PU/PNIPAM水凝胶纳米纤维束，能够连续化制备，并进行集束、编织，大大扩展其应用范围。附图说明图1为本专利技术的共轭静电纺丝装置示意图；图2为实施例1中纳米纤维束SEM扫描电镜图；图3为实施例1中纳米纤维束的局部放大SEM扫描电镜图；图4为本专利技术纳米纤维束致动示意图；图5为实施例1中纳米纤维束在水中的热致动性能数据图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，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。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。PU、DMF均为市场常规原料；PNIPAM为自制原料，制备方法如下：将1g异丙基丙烯酰胺、0.01g丙烯酰氧基二苯甲酮，0.01g偶氮二异丁腈溶于10ml二氧六环，在氩气环境下于65℃反应24h，随后倒入正己烷中即可析出PNIPAM。实施例1(1)将PU加入到DMF中，并在50℃下搅拌24h；再加入PNIPAM，在20℃下搅拌12h；静置24h，以PU、PNIPAM和DMF的总质量为基准，得到PU质量分数为10％，PNIPAM质量分数为20％的纺丝溶液。(2)采用共轭静电纺丝法对步骤(1)中纺丝溶液进行纺丝，使用卷绕器形成螺旋结构，使用辊筒进行收集；推进速度为0.5ml/h，纺丝针头内径为0.5mm，相对湿度为20％，温度为60℃，正电压为15kV，负电压为-15kV，两个喷头之间间距为30cm，卷绕器旋转速度为800r/min，滚筒接收器转动速度为3r/min；得到纳米纤维束，进行紫外光交联，采用的波长为365nm，光照时间为6h，环境温度为20℃。得到的螺旋结构纤维束由取向的PU/PNIPAM复合纳米纤维构成，在水中并能通过热致动(图5)。图1表明：两个喷射口施加相反电压，通过卷绕器使纳米纤维相互缠结形成螺旋结构，再经由辊筒收集器进行收集，可进行连续化制备。图2表明：纳米纤维束呈有序的螺旋结构。图3表明：单根纳米纤维的平均直径约为300nm，与纤维束的轴向夹角约为47°。图4表明：纳米纤维束上粘贴一薄片，在发生螺旋/解螺旋时薄片会随纳米纤维束发生旋转，可直观地观察到致动现象。图5表明：纳米纤维束在升温与降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水凝胶纳米纤维束，其特征在于，所述纤维束具有螺旋结构，由取向的聚氨酯PU/聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM复合纳米纤维构成。

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶纳米纤维束，其特征在于，所述纤维束具有螺旋结构，由取向的聚氨酯PU/聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM复合纳米纤维构成。2.根据权利要求1所述的纤维束，其特征在于，所述PU和PNIPAM的质量比为10～15:15～20。3.一种连续化制备水凝胶纳米纤维束的方法，包括：(1)将聚氨酯PU和聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM溶于溶剂中，得到纺丝溶液，其中以PU、PNIPAM和溶剂的总质量为基准，PU质量分数为10％～15％，PNIPAM质量分数为15％～20％；(2)对步骤(1)中纺丝溶液进行共轭静电纺丝，使用卷绕器形成螺旋结构，使用辊筒进行收集，得到纳米纤维束，紫外光交联处理，得到水凝胶纳米纤维束。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中溶剂为二甲基甲酰胺DMF。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中将聚氨...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏志，孟俊行，侯成义，李耀刚，张青红，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31