[发明专利]一种梯度水凝胶软驱动器的制备方法及应用

说明书

本发明涉及复合材料、高分子功能材料的技术领域，具体涉及一种梯度水凝胶软驱动器的制备方法及应用。梯度水凝胶软驱动器的制备方法为将一定量带负电的海鞘纤维素纳米晶体、N‑异丙烯丙烯酰胺、助剂和水在一定温度下混合均匀，得到混合溶液；并将混合溶液经直流电场诱导，然后原位热引发聚合制备梯度水凝胶软驱动器。本发明的梯度水凝胶软驱动器，由海鞘纤维素纳米晶体与聚N‑异丙烯丙烯酰胺复合而成。带负电的海鞘纤维素纳米晶体由于受到电场力而运动形成梯度浓度，最后在原位引发聚合形成具有梯度交联结构的水凝胶软驱动器。本发明的水凝胶软驱动器具有可控的温敏弯曲速率以及抗疲劳性。

技术领域

本发明涉及复合材料、高分子功能材料的技术领域，具体涉及一种梯度水凝胶软驱动器的制备方法及应用。

技术背景

水凝胶是一种由亲水性聚合物链经过交联形成的三维网络结构材料，在生活生产中具有广泛的应用，例如传感器、组织工程、药物载体以及驱动器等。但是随着水凝胶在这些应用中的推广，传统水凝胶的性能已经无法满足这些应用中的要求，所以“智能”水凝胶应运而生。“智能”水凝胶具有非均匀的结构，它可以对环境的光、电、磁、pH、温度等的变化产生各向异性的响应。例如，具有非均匀交联结构的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，由于水凝胶在32℃以下的环境表现出亲水溶胀行为，在32℃以上表现出疏水收缩行为，微观上不同交联密度的区域就会产生不同的溶胀与收缩行为，宏观上就会使水凝胶随着温度的变化产生弯曲或者扭曲等的“智能”行为。科研工作者也研究了很多“智能”水凝胶的合成方法，例如微流体通道、分子扩散、双层结构、电场诱导梯度结构等，这些方法的目的是使水凝胶产生非均匀的结构，从而在环境的响应上产生各向异性的“智能”行为。

现有技术中，双层水凝胶液是智能水凝胶的一种制备方法，但是会产生界面缺陷，急需一种制备方法制备具有智能响应的水凝胶驱动器，同时需要避免水凝胶中产生界面缺陷。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种梯度水凝胶软驱动器的制备方法，解决现有的常规水凝胶缺少“智能”响应性能，同时避免双层结构水凝胶软驱动器产生界面缺陷的问题。

本发明的目的之二在于提供过一种所述梯度水凝胶软驱动器的应用，将其应用于生物传感，开关，智能机器人的手臂等。

本发明实现目的之一所采用的方案是：一种梯度水凝胶软驱动器的制备方法，将一定量带负电的海鞘纤维素纳米晶体、N-异丙基丙烯酰胺、助剂和水在一定温度下混合均匀，得到混合溶液；并将混合溶液经直流电场诱导，然后原位热引发聚合制备梯度水凝胶软驱动器。

本发明的水凝胶软驱动器是以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为基体，海鞘纤维素纳米晶体(TCNCs)为纳米填料，在助剂的作用下，通过直流电场诱导海鞘纤维素纳米晶体形成梯度浓度，然后原位热引发形成梯度水凝胶。

优选地，所述混合溶液中N-异丙基丙烯酰胺的浓度为11.3wt％，海鞘纤维素纳米晶体的含量占N-异丙基丙烯酰胺的含量为1wt％～5wt％。

优选地，所述助剂包括过硫酸钾(KPS)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)和四甲基乙二胺(TEMED)，过硫酸钾(KPS)的含量占N-异丙基丙烯酰胺的含量为0.96wt％，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的含量占N-异丙基丙烯酰胺的含量为0.33wt％，四甲基乙二胺的含量占N-异丙基丙烯酰胺的含量为0.53％ml/g。

本发明中，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为化学交联，四甲基乙二胺为促进剂，过硫酸钾为引发剂。

优选地，在0-4℃下将所述带负电的海鞘纤维素纳米晶体、N-异丙基丙烯酰胺和助剂在一定温度下混合后经直流电场诱导。

优选地，所述直流电场的强度为0.5～2V/mm。

优选地，所述直流电场诱导的时间为15～60min。