[发明专利]一种光响应及抗冻弹性凝胶纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种光响应及抗冻弹性凝胶纤维及其制备方法，原料组分包括：0.01～1份氯化亚铁、0.005～2.5份柠檬酸、0.1～3份丙烯酰胺‑丙烯酸钠无规共聚物、1‑10份溶剂。本发明制备的弹性凝胶纤维具有柔性可拉伸、光响应、模量可调、抗冻、制备方法简单等特点，因此具有大规模制备的潜力和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于智能凝胶纤维及其制备领域，特别涉及一种光响应及抗冻弹性凝胶纤维及其制备方法。

背景技术

由于具有较大的比表面积、易于功能化及更快的响应速率，具有刺激响应性的智能凝胶纤维在人造组织、致动器、人体健康与环境变化监测等方面表现出了广泛的应用前景。目前制备智能凝胶纤维的方法主要有静电纺丝、3D打印挤出纺丝和微流体纺丝三种方法。如《先进材料》(Advanced Materials,2015,27,4865)报道，利用静电纺丝制备了由聚(N-异丙基丙烯酰胺)和聚氨酯两种光交联聚合物组成的双层纤维膜，可用于超快温度诱导致动。《先进材料》(Advanced Materials,2017,29,1604827)报道，通过紫外光照固化辅助3D打印可将聚丙烯酰胺水凝胶纤维前体溶液打印在聚二甲基硅氧烷基底上，并可通过应变引起的电信号变化监测人体手指运动。《先进功能材料》(Advanced FunctionalMaterials,2018,28,1803366)也报道，通过3D打印将丙烯酸-丙烯酰胺共聚物和丙烯酸-N-异丙基丙烯酰胺共聚物通过各向异性梯度组装打印在玻璃基板上，经后处理得到网状凝胶纤维，在浓盐水中可产生致动变形。总体而言，静电纺丝得到的凝胶纤维大都排列无序，而3D打印虽然能够制备排列有序的凝胶纤维，但制备过程较为复杂，且挤出的凝胶纤维均一性较差。

蜘蛛丝均匀超细、可有序编织成网且力学性能极为优异，同时具有对环境刺激(如湿度、紫外光等)的响应性，其独特性能得益于低耗高效的微流体吐丝方式。目前也有模仿蜘蛛吐丝方式的微流体纺丝方法制备凝胶纤维的研究，如《自然材料》(Nature Materials,2011,10,877)报道，利用微流体芯片与流体程序控制仪相结合可编码制备具有空间组织形态和组成的整齐排列的海藻酸钙凝胶纤维。《自然通讯》(Nature Communications,2018,9,3579)报道，在水及DMSO混合溶剂中通过微流体提拉纺丝可制备具有良好导电性及抗冻性的弹性聚丙烯酸钠凝胶纤维，并可进行简易编织。然而，上述利用微流体纺丝方法制备的凝胶纤维仍普遍缺乏刺激响应性和模量可调节性，且目前通过纺丝连续快速制备兼具智能响应性、抗冻性及弹性的凝胶纤维及其有序阵列尚未见任何报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光响应及抗冻弹性凝胶纤维及其制备方法，克服现有技术制备凝胶纤维耗能高，制备过程复杂，且纤维不能兼具光响应性、抗冻性、弹性等特性的技术缺陷。本发明的一种光响应及抗冻弹性凝胶纤维，首先利用微流体纺丝得到纤维，纤维通过进一步空气中氧化得到所述弹性凝胶纤维。本发明中利用氯化铁与丙烯酰胺-丙烯酸钠无规共聚物通过物理交联形成一种弹性凝胶纤维。在柠檬酸的作用下，将氯化亚铁和丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物均匀混合到甘油与水的混合溶剂中，所得到的纺丝液可通过微流体纺丝制备单根纤维、纤维阵列或者纤维网。这些纤维经进一步空气中氧化(氯化亚铁氧化成氯化铁)即可得到弹性凝胶纤维，而氧化后的纤维经紫外光照，氯化铁又可被柠檬酸还原成氯化亚铁，从而实现纤维模量可调。

本发明的一种弹性凝胶纤维，按重量份数，包括下列组分的体系反应得到：

0.01～1份氯化亚铁、0.005～2.5份柠檬酸、0.1～3份丙烯酰胺-丙烯酸钠无规共聚物、1-10份溶剂。

所述丙烯酰胺-丙烯酸钠无规共聚物的摩尔质量为450,000～600,000g/mol，其中丙烯酰胺含量为75～85wt％。

所述溶剂为甘油与水的混合溶剂，甘油含量为10～80wt％。

本发明的一种弹性凝胶纤维的制备方法，包括：