[发明专利]一种纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器的制备

说明书

本发明提供了一种复合水凝胶驱动器的制备方法，属于水凝胶驱动器领域。本发明以纳米海绵为“骨架”，在纳米海绵中添加明胶水凝胶作为“肌肉”，获得了机械性能优异、具有多种溶液响应特性的各向异性复合水凝胶。此外，纳米海绵“骨架”的加入还大大提升了复合水凝胶的力学性能和在离子溶液中的驱动能力。该水凝胶驱动器驱动性能优异，力学性能良好，制备方法简单，工艺参数可控，成本低，可重复性高。该复合水凝胶驱动器在微流控系统、智能控制、人工肌肉和智能人机交互等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于水凝胶驱动器领域，尤其涉及一种纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器的制备。

背景技术

水凝胶是一种高含水量的三维交联聚合物网络材料，具有独特的环境响应特性，能在压力、温度、光、pH、离子、溶剂、电场和磁场等特定的外部环境刺激下发生可控的体积和形状变化，在软体驱动、人工肌肉、智能机器人等领域方面有广阔的应用前景，引起了广大研究人员的兴趣。然而，各向同性的水凝胶体系在外界刺激下通常只表现出宏观体积的膨胀/收缩，要实现特定的弯曲变形就要构筑各向异性结构。目前，许多研究人员已经设计和制作了多种各向异性结构，包括双层结构、梯度结构、图形结构、定向结构等。但大部分的制备过程较为复杂，需要严格控制诸多合成条件。此外，高含水量的水凝胶通常机械性能差，响应速度慢，重复使用率低。尽管目前报道的通过添加纳米填料、机械训练等方法在增韧水凝胶方面取得了一定进展，但这些方法获得的水凝胶依然是各向同性的，无法完成特定、复杂的弯曲变形。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种简单、绿色和通用的方法来构筑一种纳米海绵/明胶水凝胶复合结构，该制备方法简单易行，工艺参数可控，水凝胶驱动器可调控，成本低，可重复性高。

为实现上述技术目的，本发明提供一种纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器的制备方法，所述方法包括：

(1)原料的制备：将定量明胶加入定量的去离子水中，放在高温的水浴锅中加热搅拌数小时至明胶完全溶解得到明胶溶液备用，将少量的戊二醛溶剂加入一定量的去离子水中，放置在搅拌机上搅拌得到戊二醛溶液备用；

(2)纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器的制备：将步骤(1)的明胶溶液加入到纳米海绵骨架中，控制海绵层与明胶层的厚度比，然后将样品放置在冰箱中，调节冰箱的温度至低温，使得明胶溶液在低温下形成明胶水凝胶；再将样品浸泡在戊二醛溶液(化学交联剂)中室温交联一段时间，得到纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器；

进一步地，所述去离子水电阻率为18.2MΩ，所述试剂明胶为照相级，粘接强度～260gBloom。

进一步地，步骤(1)中所述明胶溶液的质量分数为8％～15％。

进一步地，所述水浴加热温度为50～80℃，搅拌时间为1～3小时。

进一步地，步骤(1)中所述戊二醛溶液的体积分数为0.5％～2％，搅拌时间为1～2小时。

进一步地，所述步骤(2)中所述海绵层与明胶层的厚度比为1:1～3。

进一步地，所述冰箱温度为4℃。

进一步地，步骤(2)中所述戊二醛交联时间为6～12小时。

进一步地，将步骤(2)制备的纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器浸泡在(NH₄)₂SO₄溶液进行盐析一定时间得到力学性能优异的纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器。

进一步地，步骤(3)中所述(NH₄)₂SO₄溶液的浓度为1～5mol/l；盐析时间为2～6小时。

进一步地，所述纳米海绵/明胶复合水凝胶驱动器在力学性能测试中表现出优异的机械性能，其双层的各向异性结构使其具有多种溶剂驱动变形能力。