一种光/热双响应水凝胶致动器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光/热双响应水凝胶致动器的制备方法，包括以下步骤：以多巴胺、碳纳米管为原料，制备改性碳纳米管；以漂白木浆纤维为原料，制备纳米纤维素悬浮液；将纳米纤维素悬浮液与改性碳纳米管进行混合，制得碳纳米管悬浮液；以N

【技术实现步骤摘要】
一种光/热双响应水凝胶致动器及其制备方法


[0001]本专利技术属于高分子光电材料
，更具体地，涉及一种光/热双响应水凝胶致动器及其制备方法。

技术介绍

[0002]智能响应材料是一种靠外界环境如温度、压力、酸碱度、光等刺激的驱动下，自身的微观分子结构及分子构象发生可逆转变，从而导致自身的某些宏观性质发生相应变化的材料。聚合物水凝胶致动器作为一种重要的智能材料，可以将热、pH、光、电等各种外界刺激转化为可控和可逆的形状变换。作为一种典型的刺激响应水凝胶，聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)被应用于水凝胶致动器。然而，聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶较差的力学性能限制了其应用范围。双层水凝胶致动器较差的界面粘附性缩短了其使用寿命。传统的水凝胶致动器无法感知其自身运动。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对以上不足，提供一种光/热双响应水凝胶致动器及其制备方法，制备的水凝胶致动器具有优异的界面粘附性、温度响应性、近红外光响应性，力学强度和自感知功能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术提供一种光/热双响应水凝胶致动器的制备方法，包括以下步骤：
[0006]以多巴胺、碳纳米管为原料，制备改性碳纳米管；
[0007]以漂白木浆纤维为原料，制备纳米纤维素悬浮液；
[0008]将纳米纤维素悬浮液与改性碳纳米管进行混合，制得纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液；
[0009]以N
‑
异丙基丙烯酰胺、纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液为原料，制备聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体溶液；
[0010]以丙烯酰胺、纳米纤维素悬浮液为原料，制备聚丙烯酰胺水凝胶；
[0011]将聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体转移到聚丙烯酰胺水凝胶表面，制得基于聚多巴胺包覆碳纳米管的光/热双响应水凝胶致动器。
[0012]优选的，所述制备改性碳纳米管，包括：
[0013]将三(羟甲基)氨基甲烷溶于去离子水中，制备缓冲溶液；
[0014]将碳纳米管、多巴胺溶于缓冲溶液中，搅拌24小时；优选的，碳纳米管质量含量为多巴胺的50～150％。
[0015]抽滤，洗涤，烘干得到改性碳纳米管。
[0016]所述制备纳米纤维素悬浮液，包括：
[0017]将TEMPO、NaBr依次加入到去离子水中，充分搅拌，待TEMPO、NaBr完全溶解后，向反应体系中加入漂白木浆纤维粉末；
[0018]剧烈搅拌待纤维素分散均匀后，再向反应体系中加入NaClO，通过不断滴加NaOH溶液将反应体系的pH控制在9～11；
[0019]反应5～7h后进行抽滤，并用去离子水洗涤得到氧化纤维素；
[0020]利用去离子水将氧化纤维素配制成浆料，然后均质为纤维素纳米纤维，制得纳米纤维素悬浮液。优选所述纳米纤维素悬浮液中纳米纤维素的浓度为0.2
‑
0.6wt％。
[0021]优选的，所述制备纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液悬浮液，包括：
[0022]向纳米纤维素悬浮液中加入改性碳纳米管，在室温下进行搅拌，形成均匀的纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液悬浮液。
[0023]优选的，所述纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液中改性碳纳米管的加入量为纳米纤维素固含量的20～100wt％。
[0024]优选的，所述制备聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体溶液，包括：
[0025]将N
‑
异丙基丙烯酰胺和N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺溶解在蒸馏水中，充分搅拌形成均一的N
‑
异丙基丙烯酰胺水凝胶溶液；
[0026]将配制的纳米纤维素/碳纳米管悬浮液和光引发剂Irgacure 2959加入到上述混合溶液中并搅拌，直至形成分散均匀的聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体溶液。
[0027]优选的，上述步骤中N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂Irgacure 2959加入量为N
‑
异丙基丙烯酰胺的10％，纳米纤维素/碳纳米管悬浮液中纳米纤维素固含量为N
‑
异丙基丙烯酰胺的2％
‑
6％。
[0028]优选的，所述制备聚丙烯酰胺水凝胶，包括：
[0029]将丙烯酰胺和N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺溶解在蒸馏水中，充分搅拌形成均一的丙烯酰胺溶液；
[0030]将纳米纤维素悬浮液、光引发剂Irgacure 2959加入到丙烯酰胺溶液中并搅拌形成均一的聚丙烯酰胺水凝胶前驱体溶液；
[0031]将聚丙烯酰胺水凝胶前驱体溶液转移到模具中，UV灯照射3～5分钟，聚合成聚丙烯酰胺水凝胶。
[0032]优选的，上述步骤中，N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺加入量为丙烯酰胺的1％，光引发剂Irgacure 2959加入量为丙烯酰胺的0.5％，纳米纤维素固含量为丙烯酰胺的3％。
[0033]优选的，所述聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体转移到聚丙烯酰胺水凝胶上层表面，UV灯照射1～3分钟。
[0034]本专利技术还提供一种光/热双响应水凝胶致动器，是通过上述的制备方法制备而成。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0036]本专利技术提供的光/热双响应水凝胶致动器及其制备方法，制备的水凝胶致动器具有优异的界面粘附性、温度响应性、近红外光响应性，力学强度和自感知功能。
[0037]本专利技术使用聚多巴胺改性碳纳米管，可以增强碳纳米管的光热转换能力；聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶层中的聚多巴胺可以与聚丙烯酰胺水凝胶层通过氢键相互作用增强界面粘附性；由于纯聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶的力学性能较差，加入纳米纤维素可以提高水凝胶的力学性能；由于碳纳米管在水中分散性较差，加入纳米纤维素可以协助分散碳纳米管；在两层水凝胶中同时引入纳米纤维素，增强了两层水凝胶之间的界面粘附性；由于碳纳米管的导电性，制备的聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶具有自感知功能。聚(N
‑
异丙基
丙烯酰胺)水凝胶层中聚多巴胺与纳米纤维素之间相互作用，也可以增强水凝胶力学性能。
附图说明
[0038]图1为不同纳米纤维素含量的聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)水凝胶的拉伸应力
‑
应变曲线；
[0039]图2为50摄氏度下水凝胶致动器的弯曲角度随时间变化图；
[0040]图3为10摄氏度下水凝胶致动器的弯曲角度随时间变化图；
[0041]图4为水凝胶致动器弯曲角度随温度变化图。
具体实施方式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光/热双响应水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以多巴胺、碳纳米管为原料，制备改性碳纳米管；以漂白木浆纤维为原料，制备纳米纤维素悬浮液；将纳米纤维素悬浮液与改性碳纳米管进行混合，制得纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液；以N
‑
异丙基丙烯酰胺、纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液为原料，制备聚(N
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异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体溶液；以丙烯酰胺、纳米纤维素悬浮液为原料，制备聚丙烯酰胺水凝胶；将聚(N
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异丙基丙烯酰胺)水凝胶前驱体转移到聚丙烯酰胺水凝胶表面，制得基于聚多巴胺包覆碳纳米管的光/热双响应水凝胶致动器。2.根据权利要求1所述的光/热双响应水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，所述制备改性碳纳米管，包括：将三(羟甲基)氨基甲烷溶于去离子水中，制备缓冲溶液；将碳纳米管、多巴胺溶于缓冲溶液中，搅拌24小时；抽滤，洗涤，烘干得到改性碳纳米管。3.根据权利要求1所述的光/热双响应水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，所述制备纳米纤维素悬浮液，包括：将TEMPO、NaBr依次加入到去离子水中，充分搅拌，待TEMPO、NaBr完全溶解后，向反应体系中加入漂白木浆纤维粉末；剧烈搅拌待纤维素分散均匀后，再向反应体系中加入NaClO，通过不断滴加NaOH溶液将反应体系的pH控制在9～11；反应5～7h后进行抽滤，并用去离子水洗涤得到氧化纤维素；利用去离子水将氧化纤维素配制成浆料，然后均质为纤维素纳米纤维，制得纳米纤维素悬浮液。4.根据权利要求3所述的光/热双响应水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，所述制备纳米纤维素/碳纳米管复合物悬浮液，包括：向纳米纤维素悬浮液中加入改性碳纳米管，在室温下进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩景泉，陆亚，马圆圆，杨伟胜，岳一莹，何水剑，蒋少华，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：