CN105693923B - 一种软凝胶自驱动微型马达及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软凝胶自驱动微型马达及其制备方法。制备方法主要是利用原位聚合法将形成软凝胶材料的单体、交联剂、引发剂以及催化剂分散在水溶液中，将混合均匀的水溶液在模具中成型成为马达所需形状，经高真空硅脂保护处理之后，采用简单的注射方法，将催化剂溶液负载在该凝胶上，再利用凝胶本身的亲水性，将催化剂溶液吸附，完成基于软凝胶的微型自驱动马达的制造过程。而该微型马达的自驱动过程则是在过氧化氢溶液中实现的。本发明方法操作简单，对设备要求较低，适于规模化生产。所得的基于软凝胶的微型自驱动马达不仅可以用于环境领域，如水处理，同时还为智能软机器人的发展提供了一种可行性的驱动思路。
Description
技术领域
本发明涉及智能高分子材料领域，具体涉及一种软凝胶自驱动微型马达及其制备方法。
背景技术
开发新型自驱动微型马达并探索其在实际生产中的多种应用是目前的一个研究热点。微型马达大多数是通过催化过氧化氢产生氧气，利用氧气泡推动自身前行，从而得到可在含有过氧化氢的溶液中游动的微型装置。不同推进机理的微型马达已经在药物和蛋白的运输、去油、生物解毒以及水处理等方面有了许多应用的探索。然而，使其真正应用于实际环境时，这些微型马达仍然有一些不可避免的缺点。首先，现有的微型马达的制造多采用电化学沉积法，粒子束喷射法，这些制造方法相对复杂，设备要求较高，高昂的制造成本对其在工业上的应用（比如水处理）造成一定的限制。其次，由于现有的微马达的尺寸较小，使得对其进行进一步的修饰和改进变得更加困难，因而对其功能化以及功能的集成化造成了制约。第三，纳米马达由于其尺寸的限制，在运动中想要克服布朗湍流的影响进行牛顿运动也比较困难。第四，现有的微型马达大多是基于对一些无机颗粒进行修饰和改性得到的，属于刚性马达，刚性马达不会在外力作用下产生屈服，不足以应对外界环境变化从而保持运动状态。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有微型马达在实际应用方面的缺点与不足，提供一种软凝胶自驱动微型马达。该马达是通过对软凝胶进行功能化以及功能集成化，得到的一种具有良好驱动能力、可实现多种功能并且可重复使用的软马达；该微型马达的制备无需借助一些高能耗的实验设备，只需要采用简单的注射方式即可完成驱动所需催化剂的负载过程。
本发明的另一目的在于提供上述一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，该方法工艺简单，设备要求较低，适用于工业化生产，具有良好的工业化应用前景。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种软凝胶自驱动微型马达，该软凝胶自驱动微型马达采用了亲水性的软凝胶作为马达制造的基体材料；在马达自驱动所需催化剂的负载过程中，利用了水凝胶自身的亲水性，采用简单的注射方法来完成催化剂的负载；利用了高锰酸钾和过氧化氢之间的化学反应作为微型马达驱动力的来源。
上述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取一定量的水凝胶的单体，将其分散在水中，得单体溶液；通氮气除氧后，加入交联剂、引发剂以及催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于马达形状所对应的模具中并密封，置于室温下反应10～20小时，即得符合马达形状需求的水凝胶。
(2) 将该水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下催化剂负载面不做处理。
(3) 将步骤 (2)处理过的水凝胶平置，使水凝胶未涂覆高真空硅脂的一面向上。把一定量的催化剂水溶液，注射到水凝胶的上表面，将其置于暗室10～20 min，待催化剂溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。
上述的基于软凝胶的微型马达的自驱动过程，是将其放入过氧化氢溶液中来实现的。
进一步地，步骤 (1) 所述的水凝胶的单体是指一类水溶性的单体，其通过原位聚合法可得到水凝胶。水凝胶的单体具体为丙烯酰胺、丙烯酸、异丙基丙烯酰胺等中的一种或者几种。单体溶液的固含量一般为 8 wt%～25 wt%，优选为15 wt%～25 wt%。
进一步地，步骤 (1) 所述交联剂可为物理交联剂或者化学交联剂，优选为化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，化学交联剂中N,N-亚甲基双丙烯酰胺相对于单体的质量为0.025 wt%～0.125 wt%，优选为0.025 wt%～0.05 wt%。
进一步地，步骤 (1) 所述的引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾，催化剂为四甲基乙二胺。引发剂相对于单体的质量为0.25 wt%～0.5 wt%，催化剂相对于单体的质量为1 wt%～2 wt%。
进一步地，步骤 (1) 所述的模具形状可以根据马达的设计需求来决定，优选为柱状，所得到的微型马达最大长度的范围为1～20 mm，优选为3～10 mm。
进一步地，步骤 (3) 所述的催化剂是指一些水溶性的、可与过氧化氢反应产生气体的物质，优选为高锰酸钾。高锰酸钾溶液的浓度为4.3～6.3 g/mL。
进一步地，步骤 (3) 所述的注射方式优选采用移液枪准确移取一定量的催化剂溶液。催化剂溶液的移取量与其作用面积相对应，也会影响最终的马达运动速度，催化剂溶液的移取量相对于作用面积的优选范围为0.8～2 μL/mm2。
本发明相对于现有技术具有以下优点及技术效果：
1)本发明采用了一种简便并且低能耗的方式完成了微型马达驱动所需的催化剂负载过程。相对于那些采用粒子束喷射等高能耗且复杂的马达催化剂负载方式而言，具有更好的经济效益和工业化应用前景。
2)本发明采用高锰酸钾和过氧化氢反应作为驱动力的来源，此反应较为剧烈，短时间内产生大量氧气，相应的产生了较大的驱动力，因而这种微型马达具有较高的运动速度，远超过现有的同等体积的微型马达。例如：直径3 mm，长度3 mm的柱状微型马达，在负载了6 μL的高锰酸钾溶液（6.3 g/mL）时，在10%的过氧化氢溶液中得到的自驱动速度达到3.84 mm/s。
3)本发明所得到的微型马达的尺寸远大于传统的微纳马达，从而能够更加方便地对这种微型马达进行修饰和改进，有利于微型马达的功能化和功能集成化。
4)本发明是基于软凝胶的微型马达，水凝胶可以吸收自身体积十倍以上的水分，故这种微型马达具有良好的可重用性，可以简单地、反复地进行驱动所需的催化剂的补充负载。
5）本发明首次采用了一种低能耗的方式来制造微型软马达，这为将来智能软机器人的发展提供了一个良好的基础。
附图说明
图1为本发明的软凝胶自驱动微型马达的结构示意图。
图2为实施例1中的微型马达在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中的照片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取1 g丙烯酰胺单体，将其分散在4 mL水中，通氮气除氧后，加入1 mL的0.25mg/mL的N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加入3 mg过硫酸钾引发剂以及20 μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于内径为3 mm，长度为150 mm的试管中并密封，置于室温下反应12小时，反应完毕后取出试管内的水凝胶，截取长度为3 mm的一段水凝胶（长径比为1），作为软马达制造的原材料。
(2) 将步骤 (1)得到的水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下一个圆形底面不做处理，该面作为催化剂负载面。
(3) 将步骤 (2)处理过的水凝胶平置，使未涂覆高真空硅脂的圆面向上。用移液枪将6 μL的高锰酸钾溶液（6.3 g/mL）注射到水凝胶的这个圆形表面，将其置于暗室15min，待高锰酸钾溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。该微型马达可在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中实现自驱动，速度达到3.84 mm/s，如图2所示。
实施例2
一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取丙烯酰胺、丙烯酸单体各0.5 g，将其分散在4 mL水中，通氮气除氧后，加入1 mL的0.25 mg/mL的N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加入3 mg过硫酸钾引发剂以及20 μLN,N,N',N'-四甲基乙二胺催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于内径为3 mm，长度为150 mm的试管中并密封，置于室温下反应12小时，反应完毕后取出试管内的水凝胶，截取长度为3 mm 的一段水凝胶（长径比为1），作为软马达制造的原材料。
(2) 将步骤 (1)得到的水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下一个圆形底面不做处理，该面作为催化剂负载面。
(3) 将步骤 (2)得到的处理过的水凝胶平置，使未涂覆高真空硅脂的圆面向上。用移液枪将6 μL的高锰酸钾溶液（4.3 g/mL），注射到水凝胶的这个圆形表面，将其置于暗室15 min，待高锰酸钾溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。该微型马达可在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中实现自驱动。
实施例3
一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取0.75 g异丙基丙烯酰胺单体，将其分散在3 mL水中，通氮气除氧后，加入2mL的0.25 mg/mL的N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加入3 mg过硫酸钾引发剂以及20 μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于内径为3 mm，长度为150 mm的试管中并密封，置于室温下反应12小时，反应完毕后取出试管内的水凝胶，截取长度为3 mm 的一段水凝胶（长径比为1），作为软马达制造的原材料。
(2) 将步骤 (1)得到的水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下一个圆形底面不做处理，该面作为催化剂负载面。
(3) 将步骤 (2)得到的处理过的水凝胶平置，使未涂覆高真空硅脂的圆面向上。用移液枪将6 μL的高锰酸钾溶液（6.3 g/mL），注射到水凝胶的这个圆形表面，将其置于暗室15 min，待高锰酸钾溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。该微型马达可在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中实现自驱动。
实施例4
一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取1 g丙烯酰胺单体，将其分散在4 mL水中，通氮气除氧后，加入1 mL的0.25mg/mL的N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加入2.5 mg过硫酸钾引发剂以及10 μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于内径为3 mm，长度为150 mm的试管中并密封，置于室温下反应12小时，反应完毕后取出试管内的水凝胶，截取长度为3mm 的一段水凝胶（长径比为1），作为软马达制造的原材料。
(2) 将步骤 (1)得到的水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下一个圆形底面不做处理，该面作为催化剂负载面。
(3) 将步骤 (2)得到的处理过的水凝胶平置，使未涂覆高真空硅脂的圆面向上。用移液枪将6 μL的高锰酸钾溶液（5.3 g/mL），注射到水凝胶的这个圆形表面，将其置于暗室15 min，待高锰酸钾溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。该微型马达可在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中实现自驱动。
实施例5
一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取0.75 g丙烯酰胺单体，将其分散在4 mL水中，通氮气除氧后，加入1 mL的0.25 mg/mL的N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加入3 mg过硫酸钾引发剂以及20 μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于内径为3 mm，长度为150mm的试管中并密封，置于室温下反应10小时，反应完毕后取出试管内的水凝胶，截取长度为6 mm 的一段水凝胶（长径比为2），作为软马达制造的原材料。
(2) 将步骤 (1)得到的水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下一个圆形底面不做处理，该面作为催化剂负载面。
(3) 将步骤 (2)得到的处理过的水凝胶平置，使未涂覆高真空硅脂的圆面向上。用移液枪将6 μL的高锰酸钾溶液（6.3 g/mL），注射到水凝胶的这个圆形表面，将其置于暗室15 min，待高锰酸钾溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。该微型马达可在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中实现自驱动。
实施例6
一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取0.8 g丙烯酰胺单体，将其分散在4 mL水中，通氮气除氧后，加入1 mL的0.25 mg/mL的N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加入3 mg过硫酸钾引发剂以及20 μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺催化剂，超声振荡均匀。然后将所得溶液置于内径为4 mm，长度为150mm的试管中并密封，置于室温下反应20小时，反应完毕后取出试管内的水凝胶，截取长度为4 mm 的一段水凝胶（长径比为1），作为软马达制造的原材料。
(2) 将步骤 (1)得到的水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下一个圆形底面不做处理，该面作为催化剂负载面。
(3) 将步骤 (2)得到的处理过的水凝胶平置，使未涂覆高真空硅脂的圆面向上。用移液枪将12 μL的高锰酸钾溶液（6.3 g/mL），注射到水凝胶的这个圆形表面，将其置于暗室20 min，待高锰酸钾溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达。该微型马达可在质量浓度为10％的过氧化氢溶液中实现自驱动。
图1为本发明各实施例的软凝胶自驱动微型马达的结构示意图，包括催化端1和软凝胶段2。
Claims (9)
1.一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取水凝胶的单体分散在水中，得单体溶液；通氮气除氧后，加入交联剂、引发剂以及催化剂，超声振荡均匀，然后将所得溶液置于马达形状所对应的模具中并密封，置于室温下反应10～20小时，即得符合马达形状需求的水凝胶；所述催化剂为四甲基乙二胺；
(2)将该水凝胶表面进行均匀的高真空硅脂涂覆处理，留下催化剂负载面不做处理；
(3)将步骤(2)处理过的水凝胶平置，使水凝胶未涂覆高真空硅脂的一面向上，把催化剂水溶液注射到水凝胶的上表面，再置于暗室10～20min，待催化剂水溶液被水凝胶完全吸收，即得到软凝胶自驱动微型马达；所述的催化剂为高锰酸钾，利用高锰酸钾和过氧化氢之间的化学反应作为微型马达驱动力的来源。
2.根据权利要求1所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述水凝胶的单体为丙烯酰胺、丙烯酸和异丙基丙烯酰胺中的一种或者几种，单体溶液的固含量为8wt％～25wt％。
3.根据权利要求1所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述交联剂为物理交联剂或者化学交联剂，交联剂相对于单体的质量为0.025wt％～0.125wt％。
4.根据权利要求3所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，所述化学交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，化学交联剂中N,N-亚甲基双丙烯酰胺相对于单体的质量为0.025wt％～0.05wt％。
5.根据权利要求1所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾；引发剂相对于单体的质量为0.25wt％～0.5wt％；所述催化剂相对于单体的质量为1wt％～2wt％。
6.根据权利要求1所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的模具的形状为柱状，所得到的微型马达的长度范围为1～20mm。
7.根据权利要求1所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述高锰酸钾水溶液的浓度为4.3～6.3g/mL。
8.根据权利要求1所述的一种软凝胶自驱动微型马达的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述注射为采用移液枪准确移取催化剂水溶液注射到水凝胶的上表面，其中，催化剂水溶液的移取量相对于作用面积的范围为0.8～2μL/mm2。
9.由权利要求书1-8任一项所述的方法制得的一种软凝胶自驱动微型马达，其特征在于，该软凝胶自驱动微型马达采用了亲水性的软凝胶作为马达制造的基体材料；在马达自驱动所需催化剂的负载过程中，利用了水凝胶自身的亲水性，采用注射方法来完成催化剂的负载。
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