本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的制備方法。

背景技術(shù)：

溫度敏感型柔性驅(qū)動(dòng)器是指在外界溫度操控下，能夠發(fā)生相應(yīng)的功能運(yùn)動(dòng)性響應(yīng)的具有功能性的軟物質(zhì)。構(gòu)成溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的智能高分子材料可以響應(yīng)環(huán)境刺激的微小變化而發(fā)生構(gòu)象變化，從而導(dǎo)致其體積或者其他物理化學(xué)性質(zhì)的變化。具有易制備、高強(qiáng)度特性的溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)激條件下的可控變形，具有將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的特性，這令其在智能柔性機(jī)器人、航空航天等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。溫度敏感型柔性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用在傳感器及化學(xué)反應(yīng)開(kāi)關(guān)或微閥上，可以通過(guò)對(duì)溫度信息的刺激，做出相應(yīng)的體積變化，可以作為信號(hào)源，傳遞控制信息，也可以作為被控部件，控制水路或氣路的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)“智能”控制。溫度敏感型柔性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用在人工肌肉和軟體機(jī)器人領(lǐng)域，通過(guò)外界環(huán)境的溫度刺激而進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)仿生設(shè)計(jì)，具有承重、伸縮運(yùn)動(dòng)的人工肌肉可用于人類肌肉損傷破壞后的替代材料。通過(guò)微型化加工，溫度敏感型柔性驅(qū)動(dòng)器人可用于人體內(nèi)部環(huán)境的健康信息獲取。在組織工程領(lǐng)域，水凝膠基溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器可用于人體病變軟組織的替代。通過(guò)對(duì)人體病變部位溫度的變化而釋放藥物，實(shí)現(xiàn)局部定點(diǎn)治療，可極大降低治療成本。顯見(jiàn)，溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器面的研究已成為多學(xué)科具有發(fā)展?jié)摿托枨蟮难芯款I(lǐng)域之一。

目前，關(guān)于制備一種具有溫度響應(yīng)特性的水凝膠基溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的研究已經(jīng)取得了相應(yīng)的進(jìn)展。然而，制備出滿足易制備，高強(qiáng)度特性的溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器仍是當(dāng)今科研熱點(diǎn)與難點(diǎn)。溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的性能包括環(huán)境刺激響應(yīng)性(如刺激識(shí)別性、響應(yīng)速率和靈敏性等)與力學(xué)性能。除了快速響應(yīng)特性，溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)性能也是直接影響其應(yīng)用的重要參數(shù)之一。例如，溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器用作組織工程支架材料時(shí)，需要其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)承受應(yīng)力而不被破壞；當(dāng)用作化學(xué)反應(yīng)開(kāi)關(guān)或者微閥時(shí)，要求它們具有承受一定沖擊和長(zhǎng)期反復(fù)使用的性能；當(dāng)用作人工肌肉時(shí)，需要其具有很高的韌性和強(qiáng)度而盡可能地與生物組織肌肉相似。這就要求溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際復(fù)制工作環(huán)境中，除具備高力學(xué)性能的要求外還應(yīng)當(dāng)具備易制備的特點(diǎn)，降低制造成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明由溫敏型單體n-異丙基丙烯酰胺與合成硅酸鎂鋰交聯(lián)形成的水凝膠構(gòu)成。以納米木漿纖維素作增強(qiáng)相，通過(guò)原位自由基聚合，簡(jiǎn)化材料加工制備過(guò)程，提高材料制備效率。在滿足柔性驅(qū)動(dòng)器自身強(qiáng)度的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)在溫控條件下進(jìn)行應(yīng)激響應(yīng)變形。結(jié)合3d打印模具技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)所述溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的功能化應(yīng)用。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明所制備的溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器具有易制備，高強(qiáng)度的特性。同時(shí)具有制備方法簡(jiǎn)便、節(jié)能節(jié)材、環(huán)境友好、行之有效、易于推廣全程綠色等特性，將會(huì)產(chǎn)生較好的社會(huì)與生態(tài)效益，更符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。同時(shí)，本發(fā)明可以廣泛用于軍用與民用領(lǐng)域，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

具體工藝過(guò)程包括高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器材料的制備及高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的成型兩個(gè)步驟：

1).高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器材料的制備：

1.1)、以n-異丙基丙烯酰胺作單體，xlg型合成硅酸鎂鋰作交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀作引發(fā)劑，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化劑，納米木漿纖維素作增強(qiáng)相；單體、引發(fā)劑和催化劑之間的摩爾比為100:0.370:0.638；納米木漿纖維素含量為1wt.％～5wt.％。交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3wt.％；

1.2)、按照比例，在冰水浴條件下將納米木漿纖維素加入蒸餾水中，攪拌1小時(shí)；隨后加入交聯(lián)劑中，攪拌1小時(shí)；然后加入單體并攪拌2小時(shí)；最后依次加入引發(fā)劑和催化劑，攪拌5分鐘；

1.3)、將步驟1.2)所得的溶液注入相應(yīng)模具中，25℃環(huán)境下反應(yīng)時(shí)間為24小時(shí)成型；

2).高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的成型：

2.1)、所選用的模具為3d打印的組合模具；由兩個(gè)平整的薄板及兩個(gè)平整的凹槽構(gòu)成；

2.2)、將步驟1)獲得的材料中，納米木漿纖維素含量較高的溫敏型水凝膠注入模具底層，在納米木漿纖維素含量較高的溫敏型水凝膠層之上注入納米木漿纖維素含量較低的溫敏型水凝膠，置于25℃環(huán)境下反應(yīng)時(shí)間為24小時(shí)成型。

用于“閉合—展開(kāi)”、“抓取”功能的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器為十字形。高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)“閉合—展開(kāi)”、“抓取”功能的環(huán)境溫度為50℃。

本發(fā)明與目前已有的技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)：

1)本發(fā)明所涉及的制備技術(shù)利用原位自由基聚合，成型高強(qiáng)度水凝膠基溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器。簡(jiǎn)化材料加工制備過(guò)程，提高制備效率。

2)本發(fā)明所涉及的制備技術(shù)采用物理交聯(lián)法制備的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器。相較于化學(xué)交聯(lián)法，自身具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，見(jiàn)表1。通過(guò)調(diào)節(jié)高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的合成配方，在物理交聯(lián)法基礎(chǔ)上再提高材料強(qiáng)度，以滿足溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器對(duì)材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

3)本發(fā)明所涉及的制備技術(shù)通過(guò)與3d打印模具技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的成型形狀與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具備“閉合—展開(kāi)”、“抓取”特性，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能化應(yīng)用。

表1：高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)力應(yīng)變值

附圖說(shuō)明

圖1為高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器制備模具示意圖。

圖2為高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器微觀組織圖。

圖3為高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器體積相變溫度圖。

圖4為高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。

圖5為高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器“閉合”過(guò)程圖。

圖6為高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器“抓取”過(guò)程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：制取納米木漿纖維素含量為5wt.％的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器

以n-異丙基丙烯酰胺作單體，xlg型合成硅酸鎂鋰作交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀作引發(fā)劑，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化劑，5wt.％納米木漿纖維素作增強(qiáng)相。在冰水浴條件下將5wt.％納米木漿纖維素加入蒸餾水中，攪拌1小時(shí)；隨后加入交聯(lián)劑，攪拌1小時(shí)；然后加入單體并攪拌2小時(shí)；最后依次加入引發(fā)劑和催化劑，攪拌5分鐘。將所得溶液注入相應(yīng)模具中，見(jiàn)圖1。在25℃環(huán)境下反應(yīng)時(shí)間24小時(shí)成型。所得樣品微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出類似蜂窩的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過(guò)對(duì)所述高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行差熱分析，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器的體積相變溫度在34.1℃。

實(shí)施例2：制取納米木漿纖維素含量為3wt.％的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器

以n-異丙基丙烯酰胺作單體，xlg型合成硅酸鎂鋰作交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀作引發(fā)劑，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化劑，3wt.％納米木漿纖維素作增強(qiáng)相。在冰水浴條件下將5wt.％納米木漿纖維素加入蒸餾水中，攪拌1小時(shí)；隨后加入交聯(lián)劑，攪拌1小時(shí)；然后加入單體并攪拌2小時(shí)；最后依次加入引發(fā)劑和催化劑，攪拌5分鐘。將所得溶液注入相應(yīng)模具中，見(jiàn)圖1。在25℃環(huán)境下反應(yīng)時(shí)間24小時(shí)成型。通過(guò)在納米木漿纖維素含量較高的內(nèi)層溫敏水凝膠上制備納米木漿纖維素含量較低的內(nèi)層溫敏水凝膠，可以獲得具有雙層交聯(lián)密度存在各向異性的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器。雙層結(jié)構(gòu)如圖4所示，兩層之間結(jié)合緊密。將外界環(huán)境溫度從20℃升至50℃，3wt.％的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器呈現(xiàn)“閉合”現(xiàn)象如圖5所示。

實(shí)施例3：制取納米木漿纖維素含量為1wt.％的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器

以n-異丙基丙烯酰胺作單體，xlg型合成硅酸鎂鋰作交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀作引發(fā)劑，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化劑，1wt.％納米木漿纖維素作增強(qiáng)相。在冰水浴條件下將1wt.％納米木漿纖維素加入蒸餾水中，攪拌1小時(shí)；隨后加入交聯(lián)劑，攪拌1小時(shí)；然后加入單體并攪拌2小時(shí)；最后依次加入引發(fā)劑和催化劑，攪拌5分鐘。將所得溶液注入相應(yīng)模具中，見(jiàn)圖1。在25℃環(huán)境下反應(yīng)時(shí)間24小時(shí)成型。將1wt.％的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器制成十字形，將外界環(huán)境溫度從20℃升至50℃，1wt.％的高強(qiáng)度溫敏型柔性驅(qū)動(dòng)器便可實(shí)現(xiàn)“抓取”及“運(yùn)輸”物體的功能。