一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及智能高分子材料領域，具體涉及一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微型馬達是指尺寸在厘米及以下級別的，可以自行驅動，且具備特殊功能或能執(zhí)行微觀體系任務的器件。開發(fā)基于新的驅動原理的自驅動微型馬達并探索其在實際生產中的多種應用是目前的一個研究熱點。
[0003]2002年，美國哈佛大學的Whitesides提出了釆用簡單的化學燃料和化學反應來將化學能轉化為機械能對物體進行驅動的想法，并首次實現(xiàn)了基于化學燃料驅動的、大小在厘米級別的物體的自驅動，這就是第一個催化型的微型馬達。催化型的微馬達目前大多是依賴于過氧化氫溶液作為燃料，來實現(xiàn)自驅動的，因而其自驅動過程對驅動環(huán)境具有強烈依賴性，這限制了催化型微馬達的應用范圍。隨后，不同驅動原理的微型馬達不斷被探索出來，如:磁力驅動微馬達、超聲驅動微馬達以及熱驅動微馬達等。這些不同機理的微型馬達的出現(xiàn)大大擴展了微型馬達的應用范圍。經過十多年的探索，微馬達已經具備較為強大的動力、較為方便的運動控制，并可以對其進行智能化的修飾和操作，使其進行功能化集成?？梢灶A見，動力強大的智能化微型馬達，在未來的生物醫(yī)療技術以及環(huán)境保護領域都會有著強大的生命力和廣闊的應用。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的首要目的在于提供一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達。這種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達可預先將液體燃料存儲在馬達的凝膠基體中，在熱的作用下，存儲的低沸點液體燃料以氣體形式噴射，產生強大驅動力。這種自攜帶燃料式的微型乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達，具有較強的環(huán)境適應性，不需要依賴外部燃料供應即可實現(xiàn)自驅動。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供上述乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達的制備方法，該方法工藝簡單，制備條件溫和，設備要求較低，具有良好的應用前景。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)。
[0007]—種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達的制備方法，包括以下步驟:
(1)取乳化劑分散在水中，在冰水浴條件下超聲分散10?20分鐘，得到均勻的乳化劑水分散液；
(2)取水凝膠的單體，交聯(lián)劑水溶液以及引發(fā)劑加入步驟(I)所得到的水分散液中，超聲振蕩均勻后，通氮氣除氧，將該步驟得到的分散液作為水相；
(3)將低沸點、不溶于水的有機溶劑作為油相，加入到步驟(2)所得到的水相中，油水混合體系經乳化形成水包油型(0/W)乳液；
(4)在步驟(3)所得到的乳液中加入催化劑，在攪拌作用下混合均勻；
(5)將步驟(4)得到的乳液置于馬達形狀所對應的模具中并密封，置于5?15°C下反應20?30小時，即得到乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達。
[0008]進一步地，步驟(I)所述的乳化劑是水包油型的乳化劑，可以是吐溫20、吐溫80或者聚乙烯醇(平均分子量為20 ,000?30,000)等，甚至也可以是親水性的二氧化硅納米粒子。乳化劑用量相對于水相的質量分數為0.5 %?5%O
[0009]進一步優(yōu)選的，步驟(I)所述的乳化劑為平均分子量為20,000?30,000的聚乙烯醇;乳化劑用量相對于水的質量分數為I %?3%O
[0010]進一步地，步驟(2)所述的水凝膠的單體是指一類水溶性的單體，其通過原位聚合法可得到水凝膠。具體可為丙烯酰胺、丙烯酸、異丙基丙烯酰胺等中的一種或者幾種。水凝膠的單體用量為水相的8 wt%?25 wt%;所述交聯(lián)劑為化學交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，交聯(lián)劑相對于單體的質量為0.025 %?0.125 %;所述引發(fā)劑為過硫酸銨或者過硫酸鉀，引發(fā)劑相對于單體的質量為0.25 %?0.5 %。
[0011]進一步優(yōu)選的，所述水凝膠的單體用量為水相的15wt%?20 wt%;交聯(lián)劑相對于單體的質量為0.025 %?0.050 %；
進一步地，步驟(3)所述的低沸點、不溶于水的有機溶劑為二氯甲烷。
[0012]進一步地，步驟(3)所述乳化是高速剪切機在6000?10000 r/min下剪切攪拌
0.5 ?3 mino
[0013]進一步地，步驟(3)所述水相與油相的體積比為1:1 ^ l:3o
[0014]進一步地，步驟(4)所述催化劑為叱叱『少’-四甲基乙二胺，催化劑的用量為單體質量的I %?2 %。
[0015]一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達，該乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達采用乳液模板法以及原位聚合法制備而成，乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達是預先將液體燃料存儲在馬達的凝膠基體中，在熱的作用下，存儲的低沸點液體燃料以氣體形式噴射，產生強大驅動力。
[0016]
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點及技術效果:
I)本發(fā)明采用軟凝膠作為馬達制造的基體材料，相比于其他采用剛性的無機顆粒制造的微馬達而言，這種微型乳液凝膠基軟馬達在外力作用下可改變自身形狀，其馬達基體結構不會輕易被破壞，因而，其具有很好的應對外部環(huán)境變化的能力。
[0017]2)本發(fā)明創(chuàng)新性的采用乳液模板法和水凝膠的原位聚合法來制造微型熱驅動軟馬達，即將低沸點、不溶于水的有機溶劑作為油相，以溶解有水凝膠單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、催化劑的乳化劑水分散液或水溶液作為水相，在機械攪拌作用下形成穩(wěn)定的水包油型乳液，進而形成乳液凝膠馬達。這種微型馬達的制造方法簡單方便，設備依賴性小，能耗低，并且能采用澆注法簡單地制造出各種形狀復雜的微型馬達。
[0018]3)本發(fā)明預先將液體燃料存儲在馬達的凝膠基體中，在熱的作用下，存儲的低沸點液體燃料以氣體形式噴射，產生強大驅動力。這種乳液凝膠基軟熱驅動軟馬達具有較快的自驅動速度。例如:直徑3 _，長度6 _的柱狀微型馬達，在60 °(:熱水中得到的自驅動速度達到5.32 mm/s。
[0019]4)本發(fā)明得到這種微型乳液凝膠基熱驅動軟馬達是一種自攜帶燃料式的微型馬達，相比于大多數需要依賴于外部燃料(一般為過氧化氫溶液)供應的催化型微馬達而言，具有更強的環(huán)境適應性，拓寬了自驅動微型馬達的應用范圍。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例1中的水相與油相的體積比為1:1的水包油(O / W )型乳液的光學顯微鏡照片。
[0021]圖2為實施例1中的乳液基軟凝膠熱驅動馬達在60°C的水中進行自驅動的圖片。
【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0023]實施例1
一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達的制備方法，包括以下步驟:
(I)取0.05 g的聚乙烯醇(平均分子量為20，000~30，000)作為乳化劑，將其溶于4 mL去離子水中，在冰水浴條件下超聲分散10分鐘，得到均勻的乳化劑水溶液。
[0024](2)取I g丙烯酰胺單體，I mL的0.25 mg/mL的N，N_亞甲基雙丙烯酰胺水溶液以及3 mg過硫酸鉀引發(fā)劑加入步驟(I)所得到的乳化劑水溶液中，超聲振蕩均勻后，通氮氣除氧，該溶液作為水相。
[0025](3)將5 mL的二氯甲烷作為油相，加入到步驟(2)所得到的水相中，用高速剪切機在6000 r/min下剪切攪拌0.5 min形成水相與油相的體積比為1:1的水包油(0/W)型乳液。圖1即為這種0/W型乳液的光學顯微鏡照片，表明在乳化劑作用下該乳液的穩(wěn)定性較好。
[0026](4)在步驟(3)所得到的乳液中加入20 yL N，N，N’，N’_四甲基乙二胺催化劑，在攪拌作用下混合均勻。
[0027](5)將步驟(4)得到的乳液置于內徑為3 mm，長度為150 mm的試管中并密封，置于15 °C下反應20小時，反應完畢后取出試管內的乳液水凝膠。截取長度為6 mm的一段乳液水凝膠(長徑比為2)，即得到這種乳液基軟凝膠熱驅動馬達。本實施例的乳液凝膠基軟馬達可在60 °(:的熱水中完成一個高速的自驅動過程，如圖2所示。
[0028]實施例2
一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達的制備方法，包括以下步驟:
(I)取0.1 g的聚乙烯醇(平均分子量為20,000?30,000)作為乳化劑，將其溶于4 mL去離子水中，在冰水浴條件下超聲分散15分鐘，得到均勻的乳化劑水溶液。
[0029](2)取I g丙烯酰胺單體，I mL的0.25 mg/mL的N，N_亞甲基雙丙烯酰胺水溶液以及3 mg過硫酸鉀引發(fā)劑加入步驟(I)所得到的乳化劑水溶液中，超聲振蕩均勻后，通氮氣除氧，該溶液作為水相。
[0030](3)將10 mL的二氯甲烷作為油相，加入到步驟(2)所得到的水相中，用高速剪切機在8000 r/min下剪切攪拌1.5 min形成水相與油相的體積比為1:2的水包油(0/W)型乳液。
[0031](4)在步驟(3)所得到的乳液中加入20 yL N，N，N’，N’_四甲基乙二胺催化劑，在攪拌作用下混合均勻。
[0032](5)將步驟(4)得到的乳液置于內徑為3 mm，長度為150 mm的試管中并密封，置于10 °C下反應25小時，反應完畢后取出試管內的乳液水凝膠。截取長度為6 mm的一段乳液水凝膠(長徑比為2)，即得到這種乳液基軟凝膠熱驅動馬達。本實施例的乳液凝膠基軟馬達可在60 °C的熱水中完成一個高速的自驅動過程。
[0033]實施例3
一種乳液基軟凝膠熱驅動微型馬達的制備方法，包括以下步驟:
(I)取0.15 g的聚乙烯醇(平均分子量為20，000~30，000)作為乳化劑，將其溶于2 mL去離子水中，在冰水浴條件下超聲分散20分鐘，得到均勻的乳化劑水溶液。
[0034](2)取I g丙烯酰胺單體，3 mL的0.25 mg/mL的N，N_亞甲基雙丙烯酰胺水溶液以及3 mg過硫酸鉀引發(fā)劑加入步驟(I)所得到的乳化劑水溶液中，超聲振蕩均勻后，通氮氣除氧，該溶液作為水相。
[0035](3)將15 mL的二氯