具有抗菌性的自驱动柔性叶片及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有抗菌性的自驱动柔性叶片的制备方法，其包含如下步骤：按摩尔比5:1取丙烯酰胺和丙烯酸，取重量为丙烯酰胺和丙烯酸总重1％的过硫酸钾，加入交联剂、N,N,N',N'

【技术实现步骤摘要】
具有抗菌性的自驱动柔性叶片及其制备方法


[0001]本专利技术属于先进材料领域，涉及自驱动柔性材料，具体涉及一种具有抗菌性的自驱动柔性叶片及其制备方法。

技术介绍

[0002]21世纪以来，随着科技的发展，智能医疗、可穿戴设备、工业制造、机器人等对机械能转化装置提出的要求越来越高，例如微型化、轻量化、柔性化、智能化等，传统的内燃机、电动机等由于机理局限，已然遇到了发展瓶颈。
[0003]针对上述需求，人们将可自驱动的柔性材料作为研究重点之一，以实现能源节约化和装置柔性化。在现有的自驱动柔性材料制备中，驱动源一般来自于自然环境的变化。一般来说，以光、电场和磁场作为驱动源时，可以精确和快速地调节材料的强度、相变和材料的工作频率等，而以化学气氛、湿度、温度、pH驱动的柔性材料通常需要在有液体或封闭的环境下进行，对环境参数的要求较高，响应时间也较长。
[0004]叶片是机械设备中常用的部件，通常加装在飞行器或水下设备中，需要通过摆动或转动引起气流或水流的变化，从而让相关机械设备获得运动能力。目前，具有自驱动能力叶片的研究很少，原因在于飞行器所需的驱动力较大且频率很高，现有的材料还无法满足飞行器叶片的需求；而对于水下设备的叶片而言，现有自驱动材料的响应时间仍然较长，难以获得可以产生相应水流变化的快速形变，加之叶片基底材料的刚性通常较大，更进一步的增加了相应柔性叶片的制备难度。
[0005]水下设备在亏电状态下，通常采用低功耗模式维持设备的基本运动能力，以缓慢的游向相应目的地。虽然现有的柔性材料尚不能提供足够的动力供大型水下设备使用，但人们可以针对人工机器鱼等这样的小型设备，研究可以使其缓慢运动的柔性叶片，即提供一种自驱动的方式，实现这类设备以更低耗电的超低功耗模式运行。
[0006]针对上述情况，专利技术人设想，可以利用在人工机器鱼上安装的发光装置发射的光线作为驱动源，使得相应柔性材料作为人工机器鱼之类的相关设备的柔性叶片，在光线照射下进行自驱动形变，以驱动相关设备运动。目前在理论上可用的材料是光热形变材料，即在光照条件下，相关材料因温度发生变化而自动形变。因此，下面针对热响应性材料进行介绍。
[0007]热能作为生产生活中最常利用的能量形式之一，被广泛研究并应用于自驱动形变材料领域中。目前，此类材料研究比较多的是低熔点合金、形状记忆高分子、水凝胶和碳纳米材料。针对低熔点合金和形状记忆高分子，现有技术已有不少研究。例如，Ford
[1]等人使用的液晶弹性体/液态合金复合薄膜能够通过焦耳热等方式改变温度，从而产生伸缩形变，同时该复合薄膜还具有传感性能。再如，Wang
[2]等人制备了尺寸可控的光驱动形状记忆高分子薄膜，通过交联产生稳定的聚合物网络，室温下能通过线性或偏振光实现可逆的相转变。
[0008]水凝胶是一类应用广泛的材料，具有原料来源广、制备成本低廉及制备方法简单
的优势，通常作为相应先进材料的重要研究对象，以期尽快产业化。热响应水凝胶可分为两类，一类具有低临界共溶温度(Lower critical solution temperature，LCST)，另一类具有高临界共溶温度(Upper critical solution temperature，UCST)，对于UCST水凝胶而言，温度上升时，水凝胶吸水膨胀，温度回落时，水凝胶脱水缩小；LCST则相反。利用该特性，人们已研究了一些热致形变的柔性材料，例如Zheng
[3]等人使用LCST和UCST水凝胶制备了双层薄膜结构，该材料制作成仿生抓手后，能够在水、液体石蜡、空气等多种环境下抓取物体。
[0009]然而，现有的热响应水凝胶所制备得到的柔性材料的响应时间通常比较长，例如Zheng
[3]等人制备得到的材料，需要10min才完成用于抓取物体的形变量；而目前的UCST(或者LCST)制备得到的薄膜的响应时间通常需要20s以上。如果要取得高速可逆形变，则需将制备得到的薄膜厚度控制在微米级别，例如Jiang[4]等人则使用PNIPAM和聚氨酯制备了一种水凝胶薄膜自驱动材料，PNIPAM层厚度约为100μm，在4℃和40℃的水中交替放置时能产生小于1s响应时间的可逆形变。过薄的薄膜难以产生足够的形变力以带动叶片基底材料的形变，因此不具备应用于制备可驱动水下设备的柔性运动的前景。另外，产生可逆形变的温度跨度较大，也是现有这类材料的缺陷。
[0010]与此同时，由于水环境中细菌较多，而具有亲水性且有一定空隙的水凝胶材料通常适于细菌的定植，因此，在设计适于用作水下设备的柔性叶片时，还需要考虑柔性叶片的抗菌性。目前，已有不少方案用于制备抗菌薄层，如闫晓静
[5]等人在其论文《静电纺丝功能性纳米纤维的研究进展》中有所介绍。不过，如何在满足克服上述现有热响应材料的缺陷的同时，还能使得所得柔性材料具有良好的抗菌性，是本领域所面临的的一个挑战。
[0011]综上所述，如若开发目前设想的、理论可行且用于制备水下设备柔性叶片的材料，需研究出一种能以光热效应为驱动源，制备方法简单，相应时间快的柔性材料，该柔性材料能带动具有一定刚性的叶片基底材料进行形变。更重要的是，该柔性叶片还具有良好的抗菌性。本部分引用的文献：
[0012][1]Ford M.J.,Ambulo C.P.,Kent T.A.,et al.,A multifunctional shape
‑
morphing elastomer with liquid metal inclusions,Proc.Natl.Acad.Sci.,2019,116(43),21438
‑
21444.
[0013][2]Wang W.,Shen D.,Li X.,et al.,Light
‑
driven shape
‑
memory porous films with precisely controlled dimensions,Angew.Chem.Int.Ed.,2018,57(8),2139
‑
2143.
[0014][3]Zheng J.,Xiao P.,Le X.,et al.,Mimosa inspired bilayer hydrogel actuator functioning in multi
‑
environments,J.Mater.Chem.C,2018,6(6),1320
‑
1327.
[0015][4]Jiang S.,Liu F.,Lerch A.,et al.,Unusual and superfast temperature
‑
triggered actuators,Adv.Mater.,2015,27(33),4865
‑
4870.[5][1]闫晓静,刘彤,陈超.静电纺丝功能性纳米纤维的研究进展[J].纺织报告,2022,41(10):31...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有抗菌性的自驱动柔性叶片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)叶片蒙皮材料的制备：1)按摩尔比5:1取丙烯酰胺和丙烯酸，取重量为丙烯酰胺和丙烯酸总重1％的过硫酸钾，加入交联剂、N,N,N',N'
‑
四甲基乙二胺、聚丙烯酸钠、壳聚糖，于水中混合均匀，得到溶液A；2)按重量比1：1～2，将Ti3C2TxMXene和TiO2混合物加入溶液A中，再加入硫化铜纳米颗粒，搅拌均匀，得到溶液B；3)以溶液B作为电纺溶液进行静电纺丝，获得纤维膜，并将所得纤维膜于50～60℃下处理1～3小时；之后将纤维膜置于多巴胺水溶液，用EDC和NHS进行交联；交联之后浸置于Fe
3+
离子溶液和Cu
2+
离子溶液中12～36小时，用水清洗残留离子后，即得到叶片蒙皮材料；(2)将步骤(1)所得蒙皮材料置于叶片基底材料上，固定后即得所述灵敏的光热自驱动柔性叶片；其中，N,N,N',N'
‑
四甲基乙二胺与水的体积比为1:250；聚丙烯酸钠的重量为丙烯酰胺的25％，壳聚糖的重量为丙烯酰胺的25％；Ti3C2TxMXene和TiO2的重量比为2～5:1；硫化铜纳米颗粒的重量为丙烯酰胺重量的10～20％；多巴胺水溶液的浓度为10～50mg/mL；Fe
3+
离子溶液的浓度为0.02mmol
‑
0.1mmol；Cu
2+
离子溶液的浓度为0.02mmol
‑
0.1mmol；所述叶片基底材料包括PVC薄层，基底材料与蒙皮材料的厚度比不高于5:12。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉超，张凯，于淼，王安宇，刘清杰，赵武，郭鑫，
申请(专利权)人：宜宾四川大学产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：