一种高强度温敏型柔性驱动器的制备方法与流程

本发明涉及一种高强度温敏型柔性驱动器的制备方法。

背景技术：

温度敏感型柔性驱动器是指在外界温度操控下，能够发生相应的功能运动性响应的具有功能性的软物质。构成温敏型柔性驱动器的智能高分子材料可以响应环境刺激的微小变化而发生构象变化，从而导致其体积或者其他物理化学性质的变化。具有易制备、高强度特性的温敏型柔性驱动器，可以实现特定应激条件下的可控变形，具有将化学能转化为机械能的特性，这令其在智能柔性机器人、航空航天等诸多领域的应用广泛。温度敏感型柔性驱动器应用在传感器及化学反应开关或微阀上，可以通过对温度信息的刺激，做出相应的体积变化，可以作为信号源，传递控制信息，也可以作为被控部件，控制水路或气路的开闭，实现“智能”控制。温度敏感型柔性驱动器应用在人工肌肉和软体机器人领域，通过外界环境的温度刺激而进行相应的运动。通过仿生设计，具有承重、伸缩运动的人工肌肉可用于人类肌肉损伤破坏后的替代材料。通过微型化加工，温度敏感型柔性驱动器人可用于人体内部环境的健康信息获取。在组织工程领域，水凝胶基温敏型柔性驱动器可用于人体病变软组织的替代。通过对人体病变部位温度的变化而释放药物，实现局部定点治疗，可极大降低治疗成本。显见，温敏型柔性驱动器面的研究已成为多学科具有发展潜力和需求的研究领域之一。

目前，关于制备一种具有温度响应特性的水凝胶基温敏型柔性驱动器的研究已经取得了相应的进展。然而，制备出满足易制备，高强度特性的温敏型柔性驱动器仍是当今科研热点与难点。温敏型柔性驱动器的性能包括环境刺激响应性(如刺激识别性、响应速率和灵敏性等)与力学性能。除了快速响应特性，温敏型柔性驱动器的力学性能也是直接影响其应用的重要参数之一。例如，温敏型柔性驱动器用作组织工程支架材料时，需要其具有足够的机械强度来承受应力而不被破坏；当用作化学反应开关或者微阀时，要求它们具有承受一定冲击和长期反复使用的性能；当用作人工肌肉时，需要其具有很高的韧性和强度而尽可能地与生物组织肌肉相似。这就要求温敏型柔性驱动器在实际复制工作环境中，除具备高力学性能的要求外还应当具备易制备的特点，降低制造成本。

技术实现要素：

本发明由温敏型单体n-异丙基丙烯酰胺与合成硅酸镁锂交联形成的水凝胶构成。以纳米木浆纤维素作增强相，通过原位自由基聚合，简化材料加工制备过程，提高材料制备效率。在满足柔性驱动器自身强度的同时，能够实现在温控条件下进行应激响应变形。结合3d打印模具技术，可以实现所述温敏型柔性驱动器的功能化应用。

与传统技术相比，本发明所制备的温敏型柔性驱动器具有易制备，高强度的特性。同时具有制备方法简便、节能节材、环境友好、行之有效、易于推广全程绿色等特性，将会产生较好的社会与生态效益，更符合国家可持续发展的战略需求。同时，本发明可以广泛用于军用与民用领域，具有良好的市场应用前景。

具体工艺过程包括高强度温敏型柔性驱动器材料的制备及高强度温敏型柔性驱动器的成型两个步骤：

1).高强度温敏型柔性驱动器材料的制备：

1.1)、以n-异丙基丙烯酰胺作单体，xlg型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相；单体、引发剂和催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素含量为1wt.％～5wt.％。交联剂质量分数为3wt.％；

1.2)、按照比例，在冰水浴条件下将纳米木浆纤维素加入蒸馏水中，搅拌1小时；随后加入交联剂中，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟；

1.3)、将步骤1.2)所得的溶液注入相应模具中，25℃环境下反应时间为24小时成型；

2).高强度温敏型柔性驱动器的成型：

2.1)、所选用的模具为3d打印的组合模具；由两个平整的薄板及两个平整的凹槽构成；

2.2)、将步骤1)获得的材料中，纳米木浆纤维素含量较高的温敏型水凝胶注入模具底层，在纳米木浆纤维素含量较高的温敏型水凝胶层之上注入纳米木浆纤维素含量较低的温敏型水凝胶，置于25℃环境下反应时间为24小时成型。

用于“闭合—展开”、“抓取”功能的高强度温敏型柔性驱动器为十字形。高强度温敏型柔性驱动器实现“闭合—展开”、“抓取”功能的环境温度为50℃。

本发明与目前已有的技术相比具有以下特点：

1)本发明所涉及的制备技术利用原位自由基聚合，成型高强度水凝胶基温敏型柔性驱动器。简化材料加工制备过程，提高制备效率。

2)本发明所涉及的制备技术采用物理交联法制备的高强度温敏型柔性驱动器。相较于化学交联法，自身具有较高的力学强度，见表1。通过调节高强度温敏型柔性驱动器的合成配方，在物理交联法基础上再提高材料强度，以满足温敏型柔性驱动器对材料结构强度的要求。

3)本发明所涉及的制备技术通过与3d打印模具技术相结合，可以对高强度温敏型柔性驱动器的成型形状与结构进行设计，利用高强度温敏型柔性驱动器的结构特点，使其具备“闭合—展开”、“抓取”特性，实现相应的功能化应用。

表1：高强度温敏型柔性驱动器应力应变值

附图说明

图1为高强度温敏型柔性驱动器制备模具示意图。

图2为高强度温敏型柔性驱动器微观组织图。

图3为高强度温敏型柔性驱动器体积相变温度图。

图4为高强度温敏型柔性驱动器结构图。

图5为高强度温敏型柔性驱动器“闭合”过程图。

图6为高强度温敏型柔性驱动器“抓取”过程图。

具体实施方式

实施例1：制取纳米木浆纤维素含量为5wt.％的高强度温敏型柔性驱动器

以n-异丙基丙烯酰胺作单体，xlg型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化剂，5wt.％纳米木浆纤维素作增强相。在冰水浴条件下将5wt.％纳米木浆纤维素加入蒸馏水中，搅拌1小时；随后加入交联剂，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟。将所得溶液注入相应模具中，见图1。在25℃环境下反应时间24小时成型。所得样品微观结构呈现出类似蜂窝的结构，如图2所示。通过对所述高强度温敏型柔性驱动器进行差热分析，发现高强度温敏型柔性驱动器的体积相变温度在34.1℃。

实施例2：制取纳米木浆纤维素含量为3wt.％的高强度温敏型柔性驱动器

以n-异丙基丙烯酰胺作单体，xlg型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化剂，3wt.％纳米木浆纤维素作增强相。在冰水浴条件下将5wt.％纳米木浆纤维素加入蒸馏水中，搅拌1小时；随后加入交联剂，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟。将所得溶液注入相应模具中，见图1。在25℃环境下反应时间24小时成型。通过在纳米木浆纤维素含量较高的内层温敏水凝胶上制备纳米木浆纤维素含量较低的内层温敏水凝胶，可以获得具有双层交联密度存在各向异性的高强度温敏型柔性驱动器。双层结构如图4所示，两层之间结合紧密。将外界环境温度从20℃升至50℃，3wt.％的高强度温敏型柔性驱动器呈现“闭合”现象如图5所示。

实施例3：制取纳米木浆纤维素含量为1wt.％的高强度温敏型柔性驱动器

以n-异丙基丙烯酰胺作单体，xlg型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化剂，1wt.％纳米木浆纤维素作增强相。在冰水浴条件下将1wt.％纳米木浆纤维素加入蒸馏水中，搅拌1小时；随后加入交联剂，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟。将所得溶液注入相应模具中，见图1。在25℃环境下反应时间24小时成型。将1wt.％的高强度温敏型柔性驱动器制成十字形，将外界环境温度从20℃升至50℃，1wt.％的高强度温敏型柔性驱动器便可实现“抓取”及“运输”物体的功能。