一种单层水凝胶、制备方法及用作柔性抓手的应用技术

一种单层水凝胶、制备方法及其用作柔性抓手的应用，包括以下步骤：配置前驱液；注入圆形塑料模具中，利用液面分层和界面渗透原理，在前驱液表面滴加不同种类的醇，通过控制醇的种类和渗透的时间，形成上层醇类液体对前驱液不同程度的渗透；然后低温紫外辐射交联，待渗透后的前驱液交联完全后；去离子水浸泡预处理，得到单层水凝胶。本发明专利技术单层水凝胶原料易得，制备简单，效率高，重复性好，是一种可规模化制备单层水凝胶的方法，此外，单层水凝胶具有良好的响应性弯曲性能，可实现温度控制的机械抓手。

Monolayer hydrogel, preparation method and application as flexible grip

【技术实现步骤摘要】
一种单层水凝胶、制备方法及用作柔性抓手的应用
本专利技术涉及水凝胶材料的结构设计与应用
，尤其涉及一种单层水凝胶、制备方法及用作柔性抓手的应用。
技术介绍
水凝胶具有多种刺激响应性质，与生物软组织具有类似的含水量。因此，水凝胶在生物医学和软体机器人领域具有广泛的潜在应用价值。水凝胶在外界刺激下能产生可逆形变，例如失水收缩和吸水膨胀，但这些形变往往是无差别不可控的。因此需要对水凝胶进行结构设计，使其具有各向异性结构，从而变形可控。智能水凝胶在对外界刺激(如温度，pH值，湿度，特殊离子或分子，离子强度或电场强度变化)作出反应时，体积或其他特性发生剧烈变化，近年来引起了广泛的兴趣。由于具有刺激响应特性，智能水凝胶在智能执行器等众多应用中发挥着越来越重要的作用，用于组织工程的支架，化学反应的开关，药物递送的载体，生物合成的基质，以及人工肌肉和软仿生机器。智能水凝胶的刺激响应变形运动包括膨胀/收缩和弯曲/不弯曲。膨胀/收缩是由于水凝胶在各方面均存在溶胀/收缩引起的；而抗弯/不抗弯则是不同大小的水凝胶在不同方向膨胀/收缩不均匀的结果。智能水凝胶的弯曲/不弯曲运动取决于许多参数，如水凝胶的形状和大小，以及不均匀的结构。刺激响应性水凝胶是一种能够对环境刺激做出弯曲/不弯曲反应的水凝胶，由于其在许多仿生应用领域(如软载体、机械手、和爬行器)中具有很高的应用前景而受到广泛关注。在刺激反应性水凝胶中，温度响应性水凝胶最具吸引力，因为温度变化作为一种外部刺激很容易控制。在温控软式机器人等许多实际应用中，对温度敏感的水凝胶必须具有显著的抗弯性能和良好的机械性能。到目前为止，已经开发出几种具有响应弯曲特性的温度响应型水凝胶。由于水凝胶内部结构不均匀，对温度的不对称响应可以使水凝胶发生明显的弯曲/不弯曲变形。通过在水凝胶或多层结构上建立不对称的交联度分布，制备了结构不均匀的温度-反应性水凝胶。通过控制反应温度的水凝胶的制备条件，可以得到不均匀的交联结构。因此，设计和控制水凝胶致动器的非均质结构是控制其致动行为的关键。传统的方法是将被动聚合物水凝胶和主动聚合物水凝胶逐步聚合，形成双层结构。一般来说，这种双层结构表现出缓慢的弯曲/不弯曲变形，经过大量的重复驱动后，特别是在大范围弯曲的情况下，沿弱界面有分层的趋势。制备非均质水凝胶致动器的其他策略包括:通过离子清洗改变聚电解质水凝胶的交联密度；通过电泳生成带电粒子包裹体浓度梯度；通过旋转磁场对磁性纳米粒子包裹体定向进行位点特异性控制。对于这些非均质水凝胶致动器，由于含有相同的聚合物基体，可以避免形成具有弱相互作用的锐界面。通过控制其局部异构结构，可以在一定程度上对其驱动进行调优。然而，它不能实现快速而复杂的可调驱动。此外，操作局部异构结构的过程非常复杂，这限制了它们的实际应用。因此，针对水凝胶的复杂操作以及不能实现快速响应，根据液面分层、界面渗透原理提出一种简单易合成的、成本低廉、快速响应的水凝胶。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种单层水凝胶、制备方法及用作柔性抓手的应用。本专利技术的目的一方面是通过以下技术方案实现的：一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述单层水凝胶由造孔剂和前驱液构成，所述单层水凝胶的制备原料包括聚合反应单体、化学交联剂、光引发剂和造孔剂，所述单层水凝胶由以下步骤制备：步骤(1)：制备前驱液：在分散介质中加入制备原料，在避光条件下搅拌均匀直至制备原料完全溶解，得到透明的前驱液；其中，所述聚合反应单体为N-异丙基丙烯酰胺，所述化学交联剂为合成锂蒙脱石，所述光引发剂为1-羟环己基苯酮，所述造孔剂为不同种类的醇；步骤(2)：注入模具：将步骤(1)中得到的前驱液注入塑料圆形模具中，将所述塑料圆形模具置于水平桌面上的低温环境中，用注射器或滴管取适量造孔剂缓慢滴加在前驱液表面且不可再次移动模具，然后采用两层液体分层和界面渗透原理控制前驱液上层液体的渗透时间；得到扩散处理后的前驱液；步骤(3)：低温紫外辐射交联：将步骤(2)中得到扩散处理后的前驱液进行低温紫外辐射交联，待扩散处理后的前驱液交联完全后，用去离子水洗除未交联物质，从而得到垂直方向的单层非均匀多孔结构的水凝胶，即得到所述单层水凝胶。进一步地，所述步骤(1)中的分散介质包括染料和水。进一步地，所述不同种类的醇包括乙醇、甲醇、丙三醇、正戊醇。进一步地，所述低温紫外辐射交联包括紫外灯光照和低温环境，其中，紫外灯紫外波长为365nm，通过两次循环交替的方式进行紫外光照，以避免未交联完全。进一步地，所述紫外光照总时间为7分钟以确保交联完全。进一步地，所述单层非均匀多孔结构水凝胶中的非均匀多孔结构是采用两层液体分层，界面扩散原理得到。进一步地，所述非均匀多孔结构通过控制两层液体分层和界面渗透的时间从而控制所形成的孔的大小及垂直方向上大孔的数量，同时由于滴加液体的方向和各自的浓度，所以滴加乙醇，甲醇，正戊醇后形成的孔是按照由上而下越来越小的梯度分布，滴加丙三醇后形成的孔是由上而下越来越小。本专利技术的目的又一方面是通过以下技术方案实现的：一种单层水凝胶，所述单层水凝胶由造孔剂和前驱液构成，所述单层水凝胶为温敏水凝胶，所述单层水凝胶具有最低相变温度为31-33℃，从而将所述单层水凝胶置于高于最低相变温度的水中，所述单层水凝胶则会失水收缩，将单层水凝胶置于低于最低相变温度的水中，所述单层水凝胶则会吸水膨胀。在一个实施方式中，所述单层水凝胶在滴加醇类液体后，所述单层水凝胶在滴加醇类液体的一侧具有疏松的大孔结构，靠近塑料模具底部的一侧具有致密的小孔结构，从而两侧孔的差异形成非对称结构，进而导致所述水凝胶在高于最低相变温度的水中或低于最低相变温度的水中形成失水收缩或吸水膨胀的差异，最终使得所述水凝胶在不同的水中发生弯曲和恢复行为，且稳定多次循环。本专利技术的目的又一方面是通过以下技术方案实现的：一种单层水凝胶用作为柔性抓手的应用，采用上述所述的一种单层水凝胶，其中，将所述单层水凝胶制成抓手模型，用细线或铁丝与所述抓手模型水凝胶做成柔性抓手，从而将柔性抓手放入高于最低相变温度的水中实现对物体的抓取，放入低于最低相变温度的水中则会释放物体，且多次循环。本专利技术的有益效果：本专利技术通过采用液面分层和界面渗透方法制备单层水凝胶，一方面简化了制备单层水凝胶的制备过程和节约了成本且实现了快速响应；另一方面，由于不同种类醇的扩散与渗透系数不同，所以通过控制渗透的时间可以控制所形成的孔的大小及垂直方向上大孔的数量，同时由于滴加液体的方向和各自的浓度，所以滴加乙醇，甲醇，正戊醇后形成的孔是按照由上而下越来越小的梯度分布，滴加丙三醇后形成的孔是由上而下越来越小，从而实现了单层水凝胶的非均匀结构，达到在高于其最低相变温度的水中发生不同程度的弯曲且能对物体进行抓取，在低于其最低相变温度的水中发生恢复和对物体的释放的目的。附图说明图1为本专利技术自然状态下在前驱液表面滴加不同种类的醇的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述单层水凝胶由造孔剂和前驱液构成，所述单层水凝胶的制备原料包括聚合反应单体、化学交联剂、光引发剂和造孔剂，所述单层水凝胶由以下步骤制备：/n步骤(1)：制备前驱液：/n在分散介质中加入制备原料，在避光条件下搅拌均匀直至制备原料完全溶解，得到透明的前驱液；其中，所述聚合反应单体为N-异丙基丙烯酰胺，所述化学交联剂为合成锂蒙脱石，所述光引发剂为1-羟环己基苯酮，所述造孔剂为不同种类的醇；/n步骤(2)：注入模具：/n将步骤(1)中得到的前驱液注入塑料圆形模具中，将所述塑料圆形模具置于水平桌面上的低温环境中，用注射器或滴管取适量造孔剂缓慢滴加在前驱液表面且不可再次移动模具，然后采用两层液体分层和界面渗透原理控制前驱液上层液体的渗透时间；得到扩散处理后的前驱液；/n步骤(3)：低温紫外辐射交联：/n将步骤(2)中得到扩散处理后的前驱液进行低温紫外辐射交联，待扩散处理后的前驱液交联完全后，用去离子水洗除未交联物质，从而得到垂直方向的单层非均匀多孔结构水凝胶，即得到所述单层水凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述单层水凝胶由造孔剂和前驱液构成，所述单层水凝胶的制备原料包括聚合反应单体、化学交联剂、光引发剂和造孔剂，所述单层水凝胶由以下步骤制备：
步骤(1)：制备前驱液：
在分散介质中加入制备原料，在避光条件下搅拌均匀直至制备原料完全溶解，得到透明的前驱液；其中，所述聚合反应单体为N-异丙基丙烯酰胺，所述化学交联剂为合成锂蒙脱石，所述光引发剂为1-羟环己基苯酮，所述造孔剂为不同种类的醇；
步骤(2)：注入模具：
将步骤(1)中得到的前驱液注入塑料圆形模具中，将所述塑料圆形模具置于水平桌面上的低温环境中，用注射器或滴管取适量造孔剂缓慢滴加在前驱液表面且不可再次移动模具，然后采用两层液体分层和界面渗透原理控制前驱液上层液体的渗透时间；得到扩散处理后的前驱液；
步骤(3)：低温紫外辐射交联：
将步骤(2)中得到扩散处理后的前驱液进行低温紫外辐射交联，待扩散处理后的前驱液交联完全后，用去离子水洗除未交联物质，从而得到垂直方向的单层非均匀多孔结构水凝胶，即得到所述单层水凝胶。


2.根据权利要求1所述的一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的分散介质包括染料和水。


3.根据权利要求1所述的一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述不同种类的醇包括乙醇、甲醇、丙三醇、正戊醇。


4.根据权利要求1所述的一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述低温紫外辐射交联包括紫外灯光照和低温环境，其中，紫外灯紫外波长为365nm，通过两次循环交替的方式进行紫外光照，以避免未交联完全。


5.根据权利要求4所述的一种单层水凝胶的制备方法，其特征在于：所述紫外光照总时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘爱萍，董鹏丽，许为中，姚游星，匡中文，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33