一种近红外光响应性水凝胶、制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及近红外光响应性水凝胶、制备方法及其相关应用。具体公开了一种高强度、高模量的近红外光响应性水凝胶，由多官能度异氰酸酯、聚乙二醇和聚氨酯催化剂预聚合后再加入对苯醌二肟和咪唑烷基脲继续聚合反应得到，水凝胶经光照触发动态氢键解离和重组，实现形状记忆恢复。本发明专利技术还公开了由上述水凝胶制备的水凝胶驱动器。本发明专利技术提供的水凝胶不仅具有出色的近红外光热响应性，赋予材料快速响应的光诱导形状记忆能力，同时具有优异且可调控的力学性能，其模量最高可达0.7MPa,拉伸强度最高可达1.6MPa。达1.6MPa。达1.6MPa。

【技术实现步骤摘要】
一种近红外光响应性水凝胶、制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及智能高分子材料领域，尤其涉及一种高强度、高模量的近红外光响应性水凝胶、制备方法及其在形状记忆材料领域中的应用。

技术介绍

[0002]水凝胶是一类“软湿”的高分子材料，内部的三维网状结构可吸收大量的水分，并且具有良好的生物相容性，因此被广泛应用于生物医用领域。随着科学技术的进一步发展和社会需求的不断增长，水凝胶的应用领域逐渐扩展到智能驱动器、仿生材料和信息存储等领域。水凝胶驱动器是一种刺激响应材料，它可以在外部环境刺激下自发产生可逆形变。其中外部刺激源可引起材料内部结构的变化从而使水凝胶发生可控的变形，如宏观的弯曲、抓取、行走和跳跃等。
[0003]目前大多数的水凝胶驱动器的刺激条件是温度、湿度、溶剂或者电场和磁场的变化。这种对外界环境变化产生响应的行为具有局部不可控性，仅对结构为规整平面或者形状整齐的水凝胶材料比较适宜，对于不规则的三维立体形状具有一定的局限性。相比之下，光具有强度可控、高时空精度和远程操作等特点，特别是近红外光(NIR)，其具有更强的穿透性，同时对生物组织不会产生强烈破坏，安全性和应用价值较高，因此作为刺激源在响应性水凝胶驱动器方面具有巨大的优势。
[0004]在水凝胶的制备体系中引入具有NIR光热效应的物质，如碳纳米管，多巴胺颗粒等，可以赋予其良好的NIR光响应性。目前的制备策略主要是在水凝胶制备过程中共混具有光热效应的物质。华南理工大学Tong等将氧化石墨烯(GO)通过共混的方式引入到水凝胶中，制备了物理和化学交联的明胶/聚丙烯酰胺(PAM)
‑
GO互穿双网络水凝胶，其可在NIR光诱导下发生形变，该水凝胶的临时形状记忆归结于明胶的三股螺旋交联网络(ACS Appl.Mater.Inter.2016,8,12384
‑
12392)。但是该水凝胶材料的拉伸强度最高为400kPa左右，同时氧化石墨烯在水凝胶的分布均匀性也存在一定问题。南开大学Wu等引入了亲水性更好的聚多巴胺纳米颗粒(PDA
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NPs)，制备了一种聚(N
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异丙基丙烯酰胺)/聚多巴胺/粘土纳米复合水凝胶，该水凝胶显示出可控的NIR响应变形、优异的导电性和粘附性，但是其力学性能较差，最大断裂拉伸应力低于80kPa，限制了其在电子传感器等领域的进一步应用(Colloid.Surface.B.2019,177,149
‑
159)，因此急需开发一种具有优良力学性能的近红外光响应性水凝胶。

技术实现思路

[0005]基于上述技术问题，本专利技术提供一种高强度、高模量的近红外光响应性水凝胶、制备方法及其在形状记忆材料领域中的应用，以解决现有技术中近红外光响应性水凝胶的力学性能较差，难以适应高模量高机械性能需求的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]本专利技术第一方面提供一种近红外光响应性水凝胶，所述水凝胶由多官能度异氰酸
酯、聚乙二醇、聚氨酯催化剂、对苯醌二肟和咪唑烷基脲通过聚合反应得到；
[0008]所述多官能度异氰酸酯、聚乙二醇、对苯醌二肟的摩尔比为2:0.3:0.2
‑
1.1；所述聚氨酯催化剂用量为所述多官能度异氰酸酯、对苯醌二肟、咪唑烷基脲总质量的0.5～3％；所述聚合反应中聚乙二醇、对苯醌二肟和咪唑烷基脲含有的羟基的总摩尔数与多官能度异氰酸酯含有的异氰酸酯基摩尔数相等。
[0009]在本专利技术的技术方案中，使用多官能度异氰酸酯对聚乙二醇进行封端，然后与对苯醌二肟和咪唑烷基脲进行聚加成反应；聚合物链上引入的咪唑烷基脲可以提供丰富的氢键相互作用，使材料内部交联密度提高；另外，聚合物链上引入对苯醌二肟可以形成特殊的共轭结构，当材料表面用近红外光进行光照时可引起共轭结构内成键分子轨道π电子的跃迁与回落，从而释放热量，赋予材料显著的光热效应。
[0010]进一步地，所述多官能度异氰酸酯为二异氰酸酯，选自4,4
’‑
二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷
‑
4,4
‑
二异氰酸酯(HMDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、二(异氰酸酯基甲基)环己烷(HXDI)中的至少一种。
[0011]进一步地，所述聚氨酯催化剂选自二月桂酸二丁基锡(DBTDL)、2
‑
乙基己酸铋(U600)、三乙醇胺、吡啶，N,N'
‑
二甲基吡啶、N,N
‑
二甲基环己胺、双(2
‑
二甲氨基乙基)醚、N,N,N',N'
‑
四甲基乙二胺、N,N
‑
二甲基苄胺、三乙胺、N
‑
乙基吗啉、N
‑
甲基吗啉、N,N'
‑
二乙基哌嗪中的至少一种。
[0012]进一步地，所述聚乙二醇(PEG)选自分子量在1000～20000的聚乙二醇。
[0013]本专利技术第二方面提供上述近红外光响应性水凝胶作为形状记忆材料的用途。
[0014]进一步地，所述形状记忆材料为光响应性形状记忆材料。在本专利技术的技术方案中，所述水凝胶经近红外光照后产生大量的热，触发动态氢键解离和重组，实现形状记忆恢复。
[0015]本专利技术第三方面提供上述近红外光响应性水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0016]步骤1：将聚乙二醇、多官能度异氰酸酯和聚氨酯催化剂在溶剂中混合均匀后进行预聚合；然后加入对苯醌二肟、咪唑烷基脲，并使反应体系中的羟基的总摩尔数与异氰酸酯摩尔数相等，混合均匀后继续聚合得到反应液。
[0017]步骤2：将步骤1得到的反应液倒入模具中，干燥除去溶剂得到聚合物薄膜，然后将薄膜在水中充分溶胀后即可得到水凝胶。
[0018]进一步地，步骤1中，所述预聚合反应条件为75
‑
85℃预聚合1～2h，所述继续聚合反应条件为75
‑
85℃聚合4～6h。
[0019]进一步地，步骤2中所述干燥条件为：60～80℃干燥24～48h。
[0020]本专利技术第四方面提供一种由上述近红外光响应性水凝胶制备的水凝胶驱动器，所述水凝胶驱动器的原始形状在60℃经外力作用发生形变，并在4℃下固定为临时形状，然后用近红外光对所述临时形状进行照射，所述临时形状恢复为原始形状。
[0021]进一步地，所述近红外光为808nm波长的近红外光。
[0022]上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
[0023]本专利技术提供一种高强度、高模量的近红外光响应性水凝胶、制备方法、在形状记忆材料领域中的应用以及水凝胶驱动器，水凝胶由多官能度异氰酸酯、聚乙二醇和聚氨酯催化剂预聚合后再加入对苯醌二肟、咪唑烷基脲继续聚合反应得到，本专利技术制备的水凝胶具有显著的光热效应，经光照触发动态氢键解离和重组，实现形状记忆恢复。相对于现有技
术，本专利技术具备以下优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近红外光响应性水凝胶，其特征在于，由多官能度异氰酸酯、聚乙二醇、聚氨酯催化剂、对苯醌二肟和咪唑烷基脲通过聚合反应得到；所述多官能度异氰酸酯、聚乙二醇、对苯醌二肟的摩尔比为2：0.3：0.2
‑
1.1；所述聚氨酯催化剂用量为所述多官能度异氰酸酯、对苯醌二肟、咪唑烷基脲总质量的0.5～3％；所述聚合反应中聚乙二醇、对苯醌二肟、咪唑烷基脲含有的羟基的总摩尔数与多官能度异氰酸酯含有的异氰酸酯基摩尔数相等。2.根据权利要求1所述的近红外光响应性水凝胶，其特征在于，所述多官能度异氰酸酯为二异氰酸酯，选自4,4
’‑
二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷
‑
4,4
‑
二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、二(异氰酸酯基甲基)环己烷中的至少一种；所述聚氨酯催化剂选自二月桂酸二丁基锡、2
‑
乙基己酸铋、三乙醇胺、吡啶，N,N'
‑
二甲基吡啶、N,N
‑
二甲基环己胺、双(2
‑
二甲氨基乙基)醚、N,N,N',N'
‑
四甲基亚烷基二胺、N,N
‑
二甲基苄胺、三乙胺、N
‑
乙基吗啉、N
‑
甲基吗啉、N,N'
‑
二...

【专利技术属性】
技术研发人员：成一龙，王茹月，陈兴幸，申锴翔，张梦园，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：