[发明专利]一种超拉伸磁响应自修复水凝胶及其制备方法、应用

说明书

本发明属于高分子材料领域，公开了一种超拉伸磁响应自修复水凝胶及其制备方法、应用，首先合成侧链含有吡啶基的醛基封端的聚氨酯，在铁离子存在下通过氨基改性磁性纳米粒子交联，经处理后得到超拉伸磁响应自修复水凝胶。该水凝胶内部含有双交联网络结构，由于金属配位键的存在，在受力时能够有效分散聚合物的能量使共价交联网络免受破坏，同时，韧性较高的第二网络可在形变时保证水凝胶的完整性。此外，磁性纳米粒子通过亚胺键形成凝胶网络，复合结构稳定，解决了一般物理共混中易脱落的难题，同时亚胺键赋予了材料自修复性能。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及到一种超拉伸、磁响应自修复聚氨酯水凝胶及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

刚性机器人己经广泛应用于工业、医疗以及军事等领域，但由于其结构固定，在特殊环境中无法精准控制，实现预期工作，因此环境适应能力较差，而软体机器人作为新一代机器人正逐渐成为机器人发展的主力军，其使用与地位正逐步代替传统刚性机器人。相比而言，软体机器人在操作中拥有更多的驱动模式种类和自由度，运动更加灵活，具有更好的环境适应性和安全性。

水凝胶是一类具有三维网状结构，并在保持其结构的同时保留大量水分,同时在一定条件下又可以脱水退溶胀的功能高分子材料，其中能够对外界环境刺激做出响应的水凝胶又被称为智能水凝胶。作为新时代软体机器人制作的候选材料，智能水凝胶因具有高含水量，柔软性，响应性等性能而有着与生俱来的优势。磁性水凝胶作为一类智能型水凝胶，能够根据外界磁场变化诱导自身发生形变，当水凝胶置于磁场中时，磁性粒子会由于彼此的吸引力而聚集，造成水凝胶孔径减少，发生体积变化，反之，当磁场关闭时，水凝胶又会恢复到原来的状态。磁性水凝胶在磁场下可发生拉伸、收缩和卷曲变形，利用其多样性的变形模式和磁场的无害性并可进行遥控控制的特点，磁驱动受到智能柔性材料的驱动控制的青睐，如Ramanujan等利用不同Fe₃O₄含量的复合凝胶具有不同的磁场阈值的特点,制备出了一种能够模仿人手指弯曲的PVA/Fe₃O₄磁性水凝胶。

磁性水凝胶的制备主要集中于以下策略：一是在凝胶网络中原位生成磁性粒子，这种制备磁性水凝胶的方法，可以保证引入较多量的磁性组分，且其在凝胶网络中的分散较均，这是其优点；缺点是其过程稍显复杂，周期较长，生产效率低，而且聚合物网络结构常常会受到一定的破坏导致力学性能较差；二是将现成的磁性粒子引入凝胶网络中，这种工艺比较简单，易于操作，制备速度快。但是无法保证磁性纳米粒子在体系中不团聚并分散均匀；三是磁性粒子直接参与凝胶形成过程，这种技术，磁性粒子直接参与了水凝胶的形成过程，传统的化学交联剂,结构成分不复杂。而且磁性粒子和凝胶网络之间有化学键作用，磁性粒子在网络中有确切的定位，其复合结构应该会非常稳定。

发明人发现，此前绝大多数磁性水凝胶力学性能极差，受力时容易破碎断裂，无法回复为原来形状，限制了其在软体材料上的实际应用。此外，凝胶材料在受到损伤时产生难以察觉的小裂痕和缝隙，若无法及时修复，将严重降低了材料的使用寿命，增加了软体机器人的维修成本。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种超拉伸、能够自我修复的磁响应水凝胶及其制备方法。聚氨酯作为水凝胶基体能够提供良好的韧性和抗撕裂性能。首先合成侧链含有吡啶基的醛基封端的聚氨酯，在铁离子存在下通过氨基改性磁性纳米粒子交联，经处理后得到超拉伸磁响应自修复水凝胶。该水凝胶内部含有双交联网络结构，由于金属配位键的存在，在受力时能够有效分散聚合物的能量使共价交联网络免受破坏，同时，韧性较高的第二网络可在形变时保证水凝胶的完整性。此外，磁性纳米粒子通过亚胺键形成凝胶网络，复合结构稳定，解决了一般物理共混中易脱落的难题，同时亚胺键赋予了材料自修复性能。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：