[发明专利]一种温度驱动可编程4D打印智能材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种温度驱动可编程4D打印智能材料的制备方法，是基于模具成型的高效性，以N‑异丙基丙烯酰胺型温度智能水凝胶为主体材料，通过“一步法”原位自由基聚合制备出在空间维度具有温度响应各向异性的温度驱动4D打印智能变形材料，本发明所制备出的温度驱动4D打印智能变形材料除具有高界面结合强度之外，还具备可编程性、高响应速度、高力学强度、高变形复杂度和高实用性的特点，而且生产成本低，加工制造方便，适用范围广，为解决温度驱动4D打印智能变形材料的实际应用问题提供了一种行之有效的新方法。

技术领域

本发明涉及4D打印技术领域，特别涉及一种温度驱动可编程4D打印智能材料的制备方法。

背景技术

4D打印作为基于智能感知材料而开发的材料加工技术，为传统变形材料的制备提供了突破局限的新思路，水凝胶作为4D打印技术中代表性的柔性功能材料，近年来已被广泛应用于柔性智能器件的研制与开发。水凝胶可在温度场、化学场、磁场、电场等外界条件刺激下通过切换内部孔隙网络的亲疏水性进行吸水或失水，产生体积变化，从而实现智能感知与变形。在众多刺激条件中，由于温度场易获取、存在范围广、影响因素简答等优势，温度驱动可编程4D打印智能材料被广泛的应用在传感器、微阀、人工肌肉等，在工程应用领域具有广阔的研发前景。随着应用条件的复杂化，温度驱动可编程4D打印智能材料需要具备高响应速度、高力学强度、高变形复杂度和高实用性。如何令温度驱动4D智能变形水凝胶材料满足诸多应用条件，成为工程领域内亟待解决的问题。为解决该问题，国内外学者开展了大量的研究工作，主要集中在：(1)改变交联方式，将传统的化学交联改变为物理交联，提高温敏型水凝胶的力学强度；(2)改进固化机制，由传统的原位自由基聚合改进为紫外光固化，提高固化速率；(3)改进变形机制，将对温度具有不同敏感性的材料结合为一个整体，利用不同材料对温度的不同响应的各向异性，实现变形。以上解决方法虽然取得了一定成效，但仍存在着不足之处，主要体现在：单纯改善交联方式，在一定程度上提高了4D智能温敏型水凝胶的力学强度，但变形能力出现了响应的降低；改善固化机制，虽然提高了4D智能温敏型水凝胶的固化速率，但不能一次性制备出具有各向异性的变形结构。若要实现变形结构，则只能在水凝胶固化成型之后进行后续加工，增加制备成本，降低制备效率；通过选取对温度场存在不同响应的材料构成的双层结构，虽然能实现变形结构的各向异性，但不同材料间的较低的结合强度弱化了变形材料整体的力学强度，成为限制材料使用寿命的关键因素。因此，如何制备具备高响应速度、高力学强度、高变形复杂度和高实用性的温度驱动可编程4D打印智能材料亟待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中，现有技术的不足，而提供一种温度驱动可编程4D打印智能材料的制备方法；本发明的技术方案是基于模具成型的高效性，以N-异丙基丙烯酰胺型温度智能水凝胶为主体材料，通过调控材料配比，制备出一系列具有不同密度值的温度智能水凝胶材料，通过模具成型技术和密度差法，采用“一步法”原位自由基聚合制备出在空间维度具有温度响应各向异性的温度驱动可编程4D打印智能材料，具体工艺过程包括高密度值4D智能温敏型水凝胶材料的制备和温度驱动可编程4D打印智能材料的合成两个阶段；

一种温度驱动可编程4D打印智能材料的制备方法，具体制备方法如下：

一、高密度值4D智能温敏型水凝胶材料的制备

步骤一高密度值4D智能温敏型水凝胶的原始材料的组成：以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLG型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638，纳米木浆纤维素的浓度为3mg/mL～5mg/mL，交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％；