[发明专利]一种制备海藻酸钙电致动膜的喷雾交联装置及喷雾交联方法

说明书

本发明提供一种制备海藻酸钙电致动膜的喷雾交联装置及喷雾交联方法，喷雾交联法是将海藻酸钠与氯化钙溶液按照最佳交联浓度配比，并滴加增塑剂甘油，在喷雾交联装置中边雾化交联边恒温搅拌。主要方法步骤包括：喷雾交联反应，超声震荡脱泡和真空恒温干燥。喷雾交联装置的主要结构特征：正方形支架底座，其尺寸与磁力搅拌器平台相同，起稳定支撑作用；环栅格支架，用于固定交联反应容器(500ml烧杯)，且可以通过栅格间空处，监控全部喷雾交联过程；喷雾孔盖开有两个相同尺寸通孔，以实现气泵喷枪伸入到交联容器内与稳定性。本发明的喷雾交联法与装置配套使用，既可以大幅提升实验效率，又能够有效改善海藻酸钙电致动膜的拉伸强度和致动稳定性。

技术领域

本发明涉及一种制备海藻酸钙电致动膜的喷雾交联装置及喷雾交联方法。

背景技术

随着仿生工程学和智能材料的不断发展，仿生人工肌肉应运而生，将其应用到机器人、可穿戴传感器和微机电系统等领域，能够简化机械结构、提高能量转换效率。海藻酸钠是从海藻中提取的，由α-1,4-L-古罗糖醛酸链节(G)和β-1,4-D-甘露糖醛酸链节(M)不规则连接而成的一种线形、无毒的天然高分子聚合物，具有价格低廉、亲水性强、生物相容性好和可生物降解等优点。当其与Ca²⁺接触时，可通过GG结构单元中的环间氧、羟基氧和羧基氧与Ca²⁺配位而瞬时凝胶化，形成具有“鸡蛋箱”结构的海藻酸钙水凝胶，将其作为仿生人工肌肉的电致动膜、人造皮肤和生物医药材料的研究，都有着十分广泛的应用前景。目前用于制备海藻酸钙水凝胶的交联工艺方法，主要有水动力纺丝法和溶胀浸渍法。然而，这些方法只能实现凝胶的表面和浅层交联，而无法深入其内部。由此制得的海藻酸钙水凝胶的交联程度较低且内外层不均匀，以致其干燥成电致动膜后的可控性差、拉伸强度较小，无法供仿生人工肌肉反复使用。因此，研究探索一种操作简便、效果显著的交联工艺方法及交联装置，具有重要价值。

《纺织科学研究》期刊，2014年刊登的《海藻酸钙水凝胶纤维的制备及应用》文章中采用了一种水动力纺丝的交联工艺方法，使用一定浓度的海藻酸钠溶液，按照一定速度从末端平齐的注射器针尖中，注射到凝固浴(氯化钙溶液)中，以形成固态海藻酸钙水凝胶纤维。但是，该交联反应几乎是瞬间完成于海藻酸钠射流表面而无法渗透到其内部，且很难控制水凝胶的成胶形状。同时，基于此方法下的海藻酸钙G基团会堆积成为交联网络结构，而导致电致动膜的内部结构杂乱无序、出现应力集中，继而严重影响其致动性能。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种效果显著、绿色环保的制备海藻酸钙电致动膜的喷雾交联方法，即喷雾交联法；其原理明确，适合普遍应用；也提供了种简便高效、成本低廉的制备海藻酸钙电致动膜的交联装置，即喷雾交联装置；其结构简单，易于操作，满足重复多次使用。二者配套使用时，海藻酸钠溶液与氯化钙溶液的最佳交联配比，既可以大幅提升实验效率，又能够有效改善海藻酸钙电致动膜的拉伸强度和致动稳定性。

本发明的目的是这样实现的：一种制备海藻酸钙电致动膜的喷雾交联装置，包括支架底座、均匀设置在支架底座上的用于固定喷雾交联反应容器的环栅格支架、位于环栅格支架上方的喷雾孔盖，所述支架底座为正方形结构，喷雾孔盖表面开有两个尺寸相同的通孔。

一种制备海藻酸钙电致动膜的喷雾交联方法，包括所述的喷雾交联装置，步骤如下：

步骤一：配制海藻酸钠溶液与氯化钙溶液：

称取1.25g海藻酸钠溶于50ml蒸馏水中，置于磁力搅拌器上水浴50℃加热搅拌20min，待溶液完全溶解，滴加2ml甘油，继续恒温搅拌10min致混合均匀；同时，快速量取无水氯化钙颗粒0.105g，制备浓度为1.05mg/ml氯化钙溶液100ml；

步骤二：进行喷雾交联反应：