技术领域
[0001] 本
发明涉及材料领域，特别涉及一种高强度光控智能水凝胶驱动器的制备方法。技术背景
[0002] 水凝胶通过自身独特的三维网络结构展现出显著的吸水能
力，目前以广泛应用在医药科学、
传感器、软材料等领域。由于适用范围广泛，由N-异丙基丙烯酰胺和合成
硅酸镁锂交联形成的温敏型水凝胶被视为柔性
机器人，软体驱动器和4D打印的候选材料。基于
温度响应型水凝胶，通过添加金
纳米棒，
碳纳米管，
氧化
石墨烯等将光响应转化为热量，能够实现温敏型水凝胶在光控条件下的吸水、失水特性。通过相应的结构设计，由光敏型水凝胶制备的水凝胶驱动器能够实现诸如：抓取-释放、移动等功能。与温度响应型水凝胶相比，光响应型水凝胶具有非
接触控制的特点，避免了
环境温度的限制。而且凭借着实用性、便利性以及
生物适应性，以
近红外光作为
光源，可以进一步扩大光敏型智能水凝胶的应用范围。
[0003] 力学强度是水凝胶驱动器应用的前提条件。如何解决目前水凝胶驱动器力学强度普遍较低的问题，成为水凝胶驱动器设计与制备中的
瓶颈。为解决该问题，国内外学者开展了大量的研究工作，主要集中在改变水凝胶的交联方式和添加增强相的方法。这些方法虽然取得了一定成效，但仍存在着诸多不足之处。首先，改变交联方式会在一定程度上，增加水凝胶制备过程的复杂性，增加制备成本，不利于工程化应用；其次，增强相的选择、制备和应用有诸多条件限制，这会限制水凝胶驱动器的应用范围；最后，单纯的从材料成分
角度出发去改变水凝胶驱动器的力学强度会在一定程度上弱化其
变形能力。因此，如何开发一种既可以具有较高力学强度，又能兼具良好的近红外光变形性能的光控水凝胶驱动器亟待进一步研究。
发明内容
[0004] 本发明的目的是从材料成分和材料结构的角度出发，兼顾光控水凝胶驱动器的力学强度和变形性能将
静电纺丝技术与水凝胶合成技术相结合，开发一种简便、稳定、高效的智能水凝胶驱动器的制备方法。
[0005] 本发明将静电纺丝技术与近红外光响应智能水凝胶制备技术相结合，将具有相对较高的机械强度和抗冲击性能的聚乙烯醇缩丁
醛纤维和能增加水凝胶粘稠度的纳米木浆
纤维素，整合到水凝胶驱动器材料中。以材料成分和材料结构为出发点，突破传统智能材料制备方法的限制，为工程领域内兼具力学强度与变形能力的高强光控智能水凝胶驱动器的制备提供一种行之有效的方法。
[0006] 本发明的制备方法：
[0007] 本发明以模具成型技术为制备方法
基础，以N-异丙基丙烯酰胺型智能水凝胶为
主体材料，氧化
石墨烯为光热转化剂，808nm的近红外激光为控制源，以纳米木浆纤维素和聚乙烯醇缩丁醛纤维为增强相。通过原位自由基聚合反应，制备出结构
稳定性好、力学强度高、变形效率高的高强度光控智能水凝胶驱动器。具体过程如下：
[0008] 1、聚乙烯醇缩丁醛纤维的制备。选取聚乙烯醇缩丁醛(航空级)和无水
乙醇(分析纯)作原始材料。聚乙烯醇缩丁醛溶液的浓度为7wt.％～7.5wt.％。将聚乙烯醇缩丁醛粉末置入无水乙醇中，在磁力搅拌器中搅拌均匀。用两支2mL
注射器吸入适量的聚乙烯醇缩丁醛溶液，并分别将注射器安装在静电纺丝机的左右推注
泵上，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式。左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV的正高压。注射器针头与接收器间的距离固定保持在10～11cm。接通左右注射器的
电压，进行纺丝。
[0009] 2、光控智能水凝胶材料的合成。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，氧化石墨烯作光热转化相。单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为0mg/mL～3mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL。交联剂
质量分数为3wt.％～3.5wt.％。
[0010] 3、按照2中所示的配比，在
冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过
硫酸钾和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟。
[0011] 4、将制备好的光控智能水凝胶材料注入组合模具中，刮平之后将聚乙烯醇缩丁醛纤维铺在该水凝胶层之上，随后于纤维层之上加入新的水凝材料，再次刮平后将模具密封，并置于25℃～27℃环境下静置24～26小时成型。至此，完成高强度光控智能水凝胶驱动器的制备。为保证水凝胶驱动器的变形功能，本发明将纳米木浆纤维素浓度为1mg/mL～3mg/mL的水凝胶材料与纳米木浆纤维素浓度为0mg/mL水凝胶材料进行组合。各个水凝胶层中均含有聚乙烯醇缩丁醛纤维。
[0012] 本发明的有益效果：
[0013] 1、本发明以模具成型技术为制备方法，将通过静电纺丝技术得到的聚乙烯醇缩丁醛纤维置于各个水凝胶层中，与纳米木浆纤维素相对应，分别在材料成分和材料结构角度提高光控智能水凝胶驱动器的力学强度。制备简单、生产成本低、加工效率高。
[0014] 2、该型光控智能水凝胶驱动器为两层结构，各层材料均为同种单体与交联剂。通过原位自由基聚合，两层间具有极高的结合强度，实现了变形过程的稳定性。
[0015] 3、聚乙烯醇缩丁醛纤维与水凝胶基体有良好的结合，不存纤维隔断水凝胶材料的现象，保证了光控水凝胶驱动器良好的力学强度。本发明所制备的高强度光控智能水凝胶驱动器可以加工成各种形状。在高强度条件下，具备良好的变形性能，应用范围广泛。
附图说明
[0016] 图1是本发明静电纺丝技术得到的聚乙烯醇缩丁醛纤维微观形貌图。
[0017] 图2是本发明的制备过程示意图。
[0018] 图3是本发明纳米木浆纤维素含量为2mg/mL时的水凝胶微观形貌图。
[0019] 图4是本发明聚乙烯醇缩丁醛纤维在纳米木浆纤维素含量为3mg/mL的水凝胶基体中的分布图。
[0021] 图6是本发明近红外光刺激下的变形图片。
具体实施方式
[0022] 请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示：
[0024] 制取纳米木浆纤维素含量为1mg/mL的高强度光控智能水凝胶驱动器[0025] 选取航空级聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按浓度7wt.％～7.5wt.％配制聚乙烯醇缩丁醛溶液，用两支装有聚乙烯醇缩丁醛溶液的2mL注射器分别安装在静电纺丝机的左右推注泵上，左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV～11kV的正高压，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式，注射器针头与接收器间的距离固定保持在10cm～11cm。接通电压，进行纺丝，所得到的的聚乙烯醇缩丁醛纤维如图1所示，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，氧化石墨烯作光热转化相，单体、引发剂和催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为1mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL，交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％，在冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟，按照如图2所示的制备过程，将制备好的光控智能水凝胶材料注入组合模具中，刮平之后铺上聚乙烯醇缩丁醛纤维，再次添加水凝胶材料并刮平之后与纳米木浆纤维素的浓度为0mg/mL且含有聚乙烯醇缩丁醛纤维的水凝胶材料进行组合，密封模具，并置于25℃～27℃环境下静置24～26小时成型。
[0026] 实施例2：
[0027] 制取纳米木浆纤维素含量为2mg/mL的高强度光控智能水凝胶驱动器[0028] 选取航空级聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按浓度7wt.％～7.5wt.％配制聚乙烯醇缩丁醛溶液，用两支装有聚乙烯醇缩丁醛溶液的2mL注射器分别安装在静电纺丝机的左右推注泵上，左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV～11kV的正高压，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式，注射器针头与接收器间的距离固定保持在10cm～11cm，接通电压，进行纺丝，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，氧化石墨烯作光热转化相，单体、引发剂和催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为2mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL。交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％，在冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟，按照如图2所示的制备过程制备纳米木浆纤维素含量为2mg/mL的高强度光控智能水凝胶驱动器，其微观结构呈现出典型的三维网络结构如图3所示。
[0029] 实施例3：
[0030] 制取纳米木浆纤维素含量为3mg/mL的高强度光控智能水凝胶驱动器[0031] 选取航空级聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按浓度7wt.％～7.5wt.％配制聚乙烯醇缩丁醛溶液，用两支装有聚乙烯醇缩丁醛溶液的2mL注射器分别安装在静电纺丝机的左右推注泵上，左侧注射器接通10.8kV～11kV的负高压，右侧注射器接通10.8kV～11kV的正高压，为保证聚乙烯醇缩丁醛纤维的定向排布，选用共轭纺丝的形式。注射器针头与接收器间的距离固定保持在10cm～11cm，接通电压，进行纺丝，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，氧化石墨烯作光热转化相，单体、引发剂和催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为3mg/mL，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL～2mg/mL，交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％，在冰水浴条件下将氧化石墨烯粉末加入蒸馏水中超声振荡20～30分钟后，搅拌15～20分钟；然后加入纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；随后加入XLG型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入N-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟，按照如图2所示的制备过程制备纳米木浆纤维素含量为3mg/mL的高强度光控智能水凝胶驱动器，聚乙烯醇缩丁醛纤维与水凝胶基体呈现出稳定、牢固的结合状态，如图4所示。添加聚乙烯醇缩丁醛纤维和纳米木浆纤维素后，光控智能水凝胶驱动器展现出良好的力学强度，如图5所示。在近红外光的刺激下，高强度光控智能水凝胶驱动器展现出良好的变形状态，随着近红外光光斑的移动而对应着产生弯曲变形，如图6所示。
