[发明专利]一种4D智能气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种4D智能气凝胶及其制备方法；形状记忆性能的调控；微观结构、密度和亲水性的调控。首次利用一步交联真空冷冻干燥法制备了4D智能气凝胶，解决了现有智能气凝胶制备工艺复杂和性能可控性差的技术问题。其制备工艺简单、成本低、可控性好、普适性强、易于实现材料改性和复合。4D气凝胶的形状记忆性能可控性强、结构可设计性好、密度和亲水性可控性好，力学性能好，可用于海洋开发、智能药物、环保、多孔电极、智能吸附、智能人造酶、智能吸声、新能源开发、智能防护、建筑材料、轻质结构材料、隔热材料、阻燃材料、减震材料、增强骨架材料、储能器件及航天航空等领域，为研究多功能材料提供了途径。

技术领域

本发明涉及智能材料制备及应用领域，具体涉及一种4D智能气凝胶以及一步交联真空冷冻干燥法。

背景技术

材料科学是制造业的重要基础，其发展在一定程度上体现了国家的综合实力。智能化是未来科技的发展趋势，材料的智能化必将成为材料科学最为活跃的先进发展方向之一。根据爱因斯坦的理论，在3D上加入时间的概念，从而时间与空间相结合成了4D空间。4D智能制造是直接将设计内置到物料当中，材料的大小和形状等状态可以随时间变化，即在3D的基础上添加了变形维度，将成为未来科技发展的趋势，无论从当前的科技价值、还是探索未来商业的方向来看，4D智能制造技术都比3D打印技术更具前瞻性和颠覆性，它不仅是一种生产工具的革命，能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，更是一种由生产资料改变而引发未来整个商业生态结构方式改变的技术，因而颠覆的将不只是制造技术，还可以彻底改变传统打印工业甚至建筑行业。4D智能制造的关键是“智能材料”，智能材料是一种集传感、控制和驱动于一体，能够主动地“感知”温度、化学作用、光、电、磁、应变、应力、负载和振动等外界的信息，通过适时地调整自身结构和性能以自预警、自诊断、自适应、自修复等方式对外界条件的变化作出适当响应的新型功能材料体系。目前的4D智能制造技术局限于单一的4D打印技术，其设备成本高，分辨率难以进一步提高，并且存在对材料要求高，难以实现材料的改性和有效复合等问题。

气凝胶是世界上密度极小的固体物质形态之一，是具有高通透性的三维网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，多应用于轻质结构材料、隔热材料、阻燃材料、吸声材料、增强骨架材料、环保材料、柔性导电材料、储能器件和航空航天等领域。起初，研究者利用溶胶凝胶法、模板导向法、自组装法、3D打印等方法制备气凝胶，存在制备工艺复杂和性能可控性差的技术问题。形状记忆效应是指智能材料在外界激励条件下能够按照预设的方式，选择和控制材料体系由临时状态回复到原始状态。形状记忆聚合物能够在受到外部激励作用时回复其原始状态，它的这一特性奠定了其在智能材料领域的重要地位。借鉴4D智能制造的思路，4D智能气凝胶是指能够自主变形的材料，在特定条件下(如温度、湿度、辐照等)，不需要连接任何复杂的机电设备辅助，在设定的时间内按照产品设计变形或自动折叠为相应的形状，可以自动适应外部变化，其发展将成为发展未来国防、航空航天、高新技术产业，以及海洋开发、环保、机械、通信、建筑、体育休闲等国民经济领域的强大动力。

发明内容

本发明的目的是利用一步交联真空冷冻干燥法制备4D智能气凝胶，所采用的一步交联真空冷冻干燥技术操作简单、成本低，4D智能气凝胶微观结构、密度和亲水性可控，其形状记忆性能可根据应用需求进行预先设计，可适用于海洋开发、环保、高新技术产业、建筑、体育休闲和航空航天等领域的应用需求。本发明制备4D智能气凝胶的方法，包括如下具体实施步骤

步骤一：称取1.0g～15.0g聚乙烯醇，在室温下加入到100.0ml的去离子水中搅拌，充分溶胀，随后缓慢加热到30.0℃～100.0℃后保持恒定温度搅拌分散，充分溶解，直至溶液整体均匀、澄清、透明无颗粒，再自然冷却到室温得到聚乙烯醇溶液，待用；

步骤二：在室温条件下，将上述步骤一中配置好待用的聚乙烯醇溶液的pH值调节至酸性，充分搅拌；之后再加入0.0ml～100.0ml戊二醛并继续搅拌分散，得到聚乙烯醇基4D智能气凝胶预聚液，待用；