[发明专利]一种快速响应性纳米复合水凝胶纤维驱动器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种快速响应性纳米复合水凝胶纤维驱动器及其制备方法，所述驱动器为通过两种初生水凝胶平行接触并同时拉伸，使得初生水凝胶各自在内部形成高取向的连续网络结构，并在凝胶界面间形成交联结构，获得。本发明所制备的快速响应纳米复合水凝胶纤维驱动器应用范围广泛、响应速率高、制备成本低、运动形式多样且高效，为设计和制备兼具响应速率及变形能力的仿生柔性驱动器提供了行之有效的新思路。

技术领域

本发明属于水凝胶驱动器及其制备领域，特别涉及一种快速响应性纳米复合水凝胶纤维驱动器及其制备方法。

背景技术

与传统的具有机械结构的驱动器相比，水凝胶驱动器凭借着水凝胶在诸如温度、光等外界刺激条件下的响应，可以通过简单的结构设计实现复杂的、智能的机械变形。这使得水凝胶驱动器成为设计和制造软体机器人与人工肌肉的理想材料。同时，一些水凝胶又具有较高的生物相容性、智能吸水性和非接触式控制等优点，已广泛应用于医药科学、软电子学等领域。然而，由于交联方式与结构的限制，目前的水凝胶驱动器呈现出对外界刺激响应缓慢的缺点。

无法形成快速的连续的溶胀/消溶胀过程导致水凝胶驱动器不能实现连续的运动或者运动缓慢，这极大的限制了其广泛应用。为解决该问题，国内外研究学者进行了大量的研究，主要集中在(1)改变水凝胶材料组分，通过相转变性能更优异的高分子或者功能纳米粒子来替代现有的材料；(2)改变水凝胶驱动器的分层结构，利用各层结构间对刺激响应的各向异性实现变形运动；(3)通过改变凝胶网络中的梯度结构，利用不同梯度下对刺激源的响应各异性来实现较为快速的形变。以上研究虽然取得了一定的效果，但仍存在着诸多不足之处：(1)单纯从材料组分角度进行优化，性能优异的高分子或功能纳米粒子在制备合成上工艺复杂，成本较高，不适合大规模应用；(2)分层结构虽然能实现柔性驱动器的变形，但仅能实现较为简单的弯曲变形，无法有效的实现惟妙惟肖的仿生运动，应用范围有限；(3)梯度结构的改变带来的凝胶整体结构的不稳定性，同时其制备方法也受到设备或其他条件的限制。因此，如何制备响应速率快、成本低、运动效率高的智能水凝胶驱动器亟待进一步研究。

CN103408683A公开了一种物理/化学交联的光热响应水凝胶，由于其内部具有高度交联的三维网络结构，难以在成型后加工成为水凝胶纤维。

CN107337752A公开了一种高强度温敏型柔性驱动器的制备方法，由于其制备所需时间较长(24h)且受模具尺寸限制，不适合大规模应用以及难以实现快速、复杂形变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速响应性纳米复合水凝胶纤维驱动器及其制备方法，克服现有技术水凝胶驱动器响应速率不快，运动效率低以及复杂结构设计的成本高昂等不足之处。本发明以水、无机物理交联剂、响应性单体、引发剂配制凝胶预聚液，在加入加速剂后迅速将预聚液推入到一定直径与长度的聚四氟乙烯管中，通过同步聚合-拉伸的方法对两种具有不同响应性的还未反应完全的初生水凝胶进行同步挤出-聚合-拉伸成纤，由于该纤维具有很大的比表面积与较快的温度响应性，通过外部刺激使得内部结构的变化具有一定的驱动能力，该具有快速响应性的水凝胶纤维驱动器不仅可以直接产生超快的螺旋运动，还可以通过便捷的后期加工得到能够进行各种仿生运动的纤维基驱动器，从材料制备角度出发，创新地采用将凝胶预聚液在聚合反应未完成之前进行同步聚合-拉伸成纤的方法，将传统的具有刺激响应功能的块体水凝胶制备成具有极高长径比、响应速度更快且力学性能更好的水凝胶纤维，这种具有超快响应速度的水凝胶纤维驱动器通过不同的编织或加工即可组装成为多种变形可控的智能水凝胶驱动器。

本发明的一种纳米复合水凝胶纤维驱动材料，所述驱动器为通过两种初生水凝胶平行接触并同时拉伸，使得初生水凝胶各自在内部形成高取向的连续网络结构，并在凝胶界面间形成交联结构，获得；

其中初生水凝胶的原料组分各自独立地包括：无机交联剂、不同响应性单体、引发剂、水，在常温下反应10-30min共聚获得。