CN104262652B - 具有微小液滴传导功能的水凝胶智能开关及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能开关及其制备方法，属于功能材料技术领域。所述制备方法通过光引发聚合的方法制备出了湿度响应性PAA水凝胶体系，通过与纤维素膜和超亲水铜丝组合，制备了水凝胶智能开关，在不受重力作用影响下，依靠PAA水凝胶体系和超亲水铜丝所形成的锥形结构和超亲水铜丝表面实现了无外力条件下的微小液滴定向输运。所述制备方法操作步骤简单，原料易得，可逆性强；本发明制备得到的水凝胶智能开关，可用于对微小液滴的快速、定向、无损失输运，实现对微小液滴的智能操控。

Description

具有微小液滴传导功能的水凝胶智能开关及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”及其制备方法，解决了微小液滴在没有任何外力的条件下快速、定向、无损失输运的技术问题。
背景技术
少量(或微量)液滴在化学生物反应、痕量分析、在位检测等领域具有非常广阔的应用前景，对其进行无损失输运的智能操控也成为研究人员的重要课题。利用超顺磁性微滴对外加磁场的响应可以实现液滴定向、无损失输运；利用导电微柱状物在电压的控制下，实现微小液滴智能运输过程。然而，这些研究都是在外加磁场、电场的条件下完成的，如何实现在没有任何外力的条件下，依靠器件本身结构特点来智能操控微小液滴快速、定向、无损失传输已经成为亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”及其制备方法，用于实现对微小液滴的定向、无损失输运，该制备方法操作步骤简单，通过光引发聚合的方法制备出了湿度响应性PAA水凝胶，通过与纤维素膜和超亲水铜丝组合，制备了水凝胶智能“开关”，在不受重力作用影响下，实现了对微小液滴的定向输运。
本发明提出一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取20～70ml去离子水倒入烧杯中，称取1～10g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取1～5g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用；
(2)铜丝的预处理：将铜丝用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗，然后将铜丝放入去离子水中清洗10min；将清洗后的铜丝取出放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中5～15min，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干备用；
(3)反应液的制备：取一个烧杯，将丙烯酸(AA)、光引发剂(DMPA)、交联剂(MBA)、水、氢氧化钠按照特定比例倒入其中，搅拌均匀，冷却后得到反应液备用；
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿中，在盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜，将培养皿置于紫外灯下照射，得到PAA水凝胶体系(包括PAA水凝胶和纤维素膜)；
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶体系，剪出长方体(所述长方体内包含纤维素膜)，在其中间部位插入步骤(2)中处理好的两根铜丝；
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能“开关”置于水平位置，实现微小液滴的定向输运。
通过上述方法制备得到的具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”，包括PAA水凝胶体系(包括湿度响应性PAA水凝胶和纤维素膜)和设置其中的超亲水铜丝两部分，所述两根铜丝之间的间距为1～2mm。采用本发明的方法制备的水凝胶智能“开关”在不受重力作用影响下，能够很好地展示出对微小液滴(20μL)定向传导的特性。当根部水凝胶体系处于干燥的环境时，“开关”呈现“打开”状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成了锥形结构，向铜丝上滴加的小液滴能够用很短的时间实现定向传导；当小液滴到达根部水凝胶体系上，使其处于潮湿的状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成的平行结构取代之前的锥形结构，智能“开关”呈现出“关闭”状态，向超亲水铜丝上滴加的小液滴保持静止，不会进行传输。由此可见：该方法能够很好地实现水凝胶智能“开关”在“打开”条件下的液滴定向传导、“关闭”条件下的液滴静止输运的智能操控。
本发明的优点在于：
1、本发明提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，操作步骤简单，原料易得，可逆性强。
2、本发明提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”，可用于对微小液滴的快速、定向、无损失输运，实现对微小液滴的智能操控。
3、在采用该方法制得的水凝胶智能“开关”依靠PAA水凝胶体系和超亲水铜丝所形成的锥形结构和超亲水铜丝表面实现了无外力条件下的微小液滴定向输运。
附图说明
图1：本发明提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法流程图；
图2：采用本发明方法制备的水凝胶智能“开关”的数码照片；
图3：采用本发明方法制得的水凝胶智能开关处于“打开”状态下，液滴定向传导的俯视照片；
图4：采用本发明方法制得的水凝胶智能开关处于“打开”状态下，液滴定向传导的侧视照片；
图5：采用本发明方法制得的水凝胶智能开关处于“关闭”状态下，液滴停止传导的俯视照片；
图6：采用本发明方法制得的水凝胶智能开关处于“关闭”状态下，液滴停止传导的侧视照片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，如图1所示，该方法包括以下几个步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取20～70ml去离子水倒入烧杯中，称取1～10g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取1～5g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用(优选浓度，碱性溶液中：氢氧化钠为2.5M，过硫酸铵为0.15M)。
(2)铜丝的预处理：将铜丝(直径为0.4mm,长度为2.5cm)用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗10min，除去铜丝表面的杂质，将超声后的铜丝取出，放入去离子水中清洗，除去酸液。将最终清洗干净的铜丝取出后放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中5～15min(优选时间为5min)，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干备用。
(3)反应液的制备：取一个烧杯，将丙烯酸(AA)、光引发剂(DMPA)、交联剂(MBA)、去离子水、氢氧化钠按照一定比例倒入其中，搅拌均匀，冷却后备用。具体优选比例为：分别称取2.5g分析纯氢氧化钠，0.2g光引发剂和0.06～0.36g交联剂，量取9mL丙烯酸和20～40mL去离子水,将其充分混合均匀，得到反应液。
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取1～4mL步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿(直径为3.7cm，高度为1cm)中，向盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜(尺寸为1cm×5mm)，将培养皿置于紫外灯下照射15～30min(优选为20min)，得到PAA水凝胶体系，所述的水凝胶体系包括PAA水凝胶和纤维素膜。
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶体系，剪出的长方体形状(所述长方体内包含纤维素膜)，在所述长方体的中央插入步骤(2)中处理好的两根铜丝。
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干30～60min,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能响应“开关”置于水平位置(铜丝水平)，实现微小液滴的定向输运。
采用本发明提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，依据本方法所制备得到的水凝胶智能响应“开关”如图2所示，由PAA水凝胶体系(湿度响应性PAA水凝胶、纤维素膜)和超亲水铜丝组成，其中两根经过碱液处理得到的超亲水铜丝插入图2中所述PAA水凝胶体系的中间部位，所述两根铜丝之间的间距为1～2mm。采用本发明的方法制备的水凝胶智能“开关”能够很好地展示出对微小液滴(20μL)定向传导的特性。由于在湿度不同的情况下，纤维素膜与PAA水凝胶有着很大的膨胀率的差异，呈现出在干燥的情况下PAA水凝胶体系弯曲(如图3)，水凝胶智能“开关”处于“打开”状态；而在潮湿的条件下PAA水凝胶体系处于平直(如图5)，水凝胶智能“开关”处于“关闭”状态。图3、4所示分别为采用本发明方法得到的水凝胶智能“开关”处于“打开”条件下的俯视和侧视的液滴传导行为照片，当根部水凝胶体系处于干燥的环境时，“开关”呈现“打开”状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成了锥形结构，使滴加的小液滴能够实现快速、定向传导；图5、6所示分别为采用本发明方法得到的水凝胶智能“开关”处于“关闭”条件下的俯视和侧视的液滴传导行为照片，当液滴到达根部水凝胶体系上，使其处于潮湿的状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成的平行结构取代之前的锥形结构，智能“开关”呈现出“关闭”状态，所滴加的小液滴保持静止，不再传输。由此可见：制备的水凝胶智能“开关”对微小液滴的定向传导可以实现智能操控。
实施例1
本实施例提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，该方法包括以下几个步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取50ml去离子倒入烧杯中，称取5g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取1.71g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用。
(2)铜丝的预处理：将铜丝(直径为0.4mm,长度为2.5cm)用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗10min，除去铜丝表面的杂质，将超声后的铜丝取出，放入去离子水中清洗，除去酸液。将铜丝取出后放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中5min，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干，得到超亲水铜丝备用。
(3)反应液的制备：取一个烧杯，分别称取2.5g分析纯氢氧化钠，0.2g光引发剂(DMPA)和0.12g交联剂(MBA)，量取9mL丙烯酸(AA)和27.5mL去离子水倒入其中，搅拌均匀，冷却后得到反应液备用。
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取2mL步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿(直径为3.7cm，高度为1cm)中，向盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜(尺寸为1cm×5mm)，将培养皿置于紫外灯下照射20min，得到PAA水凝胶，所述的水凝胶体系包括PAA水凝胶和纤维素膜。
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶体系，剪出长方体(所述长方体内包含纤维素膜)，在其中央插入步骤(2)中处理好的两根铜丝(铜丝之间的间距为1.5mm)。
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干40min,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能响应“开关”置于水平位置，实现微小液滴的定向输运。
采用本发明的方法制备的水凝胶智能“开关”由PAA水凝胶体系(湿度响应性PAA水凝胶、纤维素膜)和超亲水铜丝组成，其中两根经过碱液处理得到的超亲水铜丝插入图2中所述PAA水凝胶体系的中间部位，所述两根铜丝之间的间距为1～2mm。采用本发明的方法制备的水凝胶智能“开关”在不受重力作用影响的条件下，能够很好地展示出对微小液滴定向传导的智能性。图3、4所示分别为采用本发明方法得到的水凝胶智能“开关”处于“打开”条件下的俯视和侧视的液滴传导行为照片，当根部水凝胶体系处于干燥的环境时，“开关”呈现“打开”状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成了锥形结构，使滴加的小液滴能够实现快速、定向传导；图5、6所示分别为采用本发明方法得到的水凝胶智能“开关”处于“关闭”条件下的俯视和侧视的液滴传导行为照片，当液滴到达根部水凝胶体系上，使其处于潮湿的状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成的平行结构取代之前的锥形结构，智能“开关”呈现出“关闭”状态，所滴加的小液滴保持静止，不再传输。由此可见：制备的水凝胶智能“开关”成功地实现了对微小液滴的定向传导。
实施例2
本实施例提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，该方法包括以下几个步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取40mL去离子水倒入烧杯中，称取3.2g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取1g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用。
(2)铜丝的预处理：将铜丝(直径为0.4mm,长度为2.5cm)用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗10min，除去铜丝表面的杂质，将超声后的铜丝取出，放入去离子水中清洗，除去酸液。将铜丝取出后放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中10min，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干备用。
(3)反应液的制备：取一个烧杯，分别称取2.5g分析纯氢氧化钠，0.2g光引发剂(DMPA)和0.06g交联剂(MBA)，量取9mL丙烯酸(AA)和20mL去离子水倒入其中，搅拌均匀，冷却后得到反应液备用。
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取1mL步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿(直径为3.7cm，高度为1cm)中，向盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜(尺寸为1cm×5mm)，将培养皿置于紫外灯下照射15min，得到PAA水凝胶体系，所述的水凝胶体系包括PAA水凝胶和纤维素膜。
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶体系，剪出长方体形状(所述长方体内包含纤维素膜)，在所述长方体的中央插入步骤(2)中处理好的铜丝两根(铜丝之间的间距为2mm)。
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干30min,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能响应“开关”置于水平位置，实现微小液滴的定向输运。
实施例3
本实施例提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，该方法包括以下几个步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取60ml去离子水倒入烧杯中，称取8g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取4g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用。
(2)铜丝的预处理：将铜丝(直径为0.4mm,长度为2.5cm)用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗10min，除去铜丝表面的杂质，将超声后的铜丝取出，放入去离子水中清洗，除去酸液。将铜丝取出后放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中15min，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干备用。
(3)反应液的制备：取一个烧杯，分别称取2.5g分析纯氢氧化钠，0.2g光引发剂(DMPA)和0.24g交联剂(MBA)，量取9mL丙烯酸(AA)和30mL去离子水倒入其中，搅拌均匀，冷却后得到反应液备用。
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取3mL步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿(直径为3.7cm，高度为1cm)中，向盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜(尺寸为1cm×5mm)，将培养皿置于紫外灯下照射30min，得到PAA水凝胶体系，所述的水凝胶体系包括PAA水凝胶和纤维素膜。
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶体系，剪出长方体(所述长方体内包含纤维素膜)，在其中央插入步骤(2)中处理好的两根铜丝(铜丝之间的间距为1mm)。
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干50min,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能响应“开关”置于水平位置，实现微小液滴的定向输运。
实施例4
本实施例提出的一种具有微小液滴传导功能的水凝胶智能“开关”的制备方法，该方法包括以下几个步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取70ml去离子水倒入烧杯中，称取10g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取5g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用。
(2)铜丝的预处理：将铜丝(直径为0.4mm,长度为2.5cm)用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗10min，除去铜丝表面的杂质，将超声后的铜丝取出，放入去离子水中清洗，除去酸液。将铜丝取出后放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中15min，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干备用。
(3)反应液的制备：取一个烧杯，分别称取2.5g分析纯氢氧化钠，0.2g光引发剂(DMPA)和0.36g交联剂(MBA)，量取9mL丙烯酸(AA)和40mL去离子水倒入其中，搅拌均匀，冷却后得到反应液备用。
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取4mL步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿(直径为3.7cm，高度为1cm)中，向盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜(尺寸为1cm×5mm)，将培养皿置于紫外灯下照射30min，得到PAA水凝胶体系，所述的水凝胶体系包括PAA水凝胶和纤维素膜。
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶，剪出长方体(尺寸5mm×4mm×1mm)，所述长方体内必须包含有纤维素膜，在所述长方体中央插入步骤(2)中处理好的两根铜丝(铜丝之间的间距为1.5mm)。
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干60min,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能响应“开关”置于水平位置，实现微小液滴的定向输运。

Claims (4)

1.具有微小液滴传导功能的水凝胶智能开关的制备方法，其特征在于如下步骤：
(1)碱性溶液的制备：量取20～70ml去离子水倒入烧杯中，称取1～10g分析纯的氢氧化钠，将其倒入装有去离子水的烧杯中，再称取1～5g过硫酸铵，慢慢加入烧杯中，搅拌至充分溶解，冷却至室温待用；
(2)铜丝的预处理：将铜丝用砂纸打磨，放入盛有浓度为1M盐酸溶液的烧杯中，将该烧杯放入超声装置中超声清洗，然后将铜丝放入去离子水中清洗10min；将清洗后的铜丝取出放入步骤(1)中制备好的碱性溶液中5～15min，经碱液处理之后的铜丝用去离子水冲洗3次，在空气中晾干备用；
(3)反应液的制备：取一个烧杯，将丙烯酸、光引发剂、交联剂、水、氢氧化钠倒入其中，搅拌均匀，冷却后得到反应液备用；
(4)PAA水凝胶体系的制备：量取步骤(3)中制备好的反应液于一个培养皿中，在盛有反应液的培养皿底部放入纤维素膜，将培养皿置于紫外灯下照射15～30min，得到PAA水凝胶体系；
(5)取出步骤(4)中制备好的PAA水凝胶体系，剪出长方体形状，所述长方体内包含纤维素膜，在其中间部位插入步骤(2)中处理好的两根铜丝；
(6)将步骤(5)中制备好的样品自然风干,得到水凝胶智能“开关”，将整个水凝胶智能“开关”相对铜丝为基准置于水平位置，实现微小液滴的定向输运。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱性溶液中，氢氧化钠为2.5M，过硫酸铵为0.15M。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述反应液通过如下方式得到，分别称取2.5g分析纯氢氧化钠，0.2g光引发剂和0.06～0.36g交联剂，量取9mL丙烯酸和20～40mL去离子水,将其充分混合均匀，得到反应液。
4.具有微小液滴传导功能的水凝胶智能开关，其特征在于：包括PAA水凝胶体系和超亲水铜丝两部分，所述的PAA水凝胶体系包括PAA水凝胶和纤维素膜；其中铜丝两根均插入所述PAA水凝胶的中间部位，所述两根铜丝之间的间距为1～2mm；所述的水凝胶智能“开关”在不受重力作用影响下，当根部水凝胶体系处于干燥的环境时，“开关”呈现“打开”状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成了锥形结构，向铜丝上滴加的小液滴能够实现定向传导；当小液滴到达根部水凝胶体系上，使所述的水凝胶体系处于潮湿的状态，此时PAA水凝胶体系和超亲水铜丝构成的平行结构取代之前的锥形结构，智能“开关”呈现出“关闭”状态，向超亲水铜丝上滴加的小液滴保持静止，不会进行传输。
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