CN107141407B - 一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式 - Google Patents

一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式 Download PDF

Info

Publication number
CN107141407B
CN107141407B CN201710376912.2A CN201710376912A CN107141407B CN 107141407 B CN107141407 B CN 107141407B CN 201710376912 A CN201710376912 A CN 201710376912A CN 107141407 B CN107141407 B CN 107141407B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solution
driver
hydrogel
polyampholyte
spontaneous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710376912.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107141407A (zh
Inventor
王涛
张袁铖
廖杰新
黄家和
孙尉翔
童真
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201710376912.2A priority Critical patent/CN107141407B/zh
Publication of CN107141407A publication Critical patent/CN107141407A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107141407B publication Critical patent/CN107141407B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10—Esters
    • C08F220/34—Esters containing nitrogen, e.g. N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/12—Chemical modification
    • C08J7/14—Chemical modification with acids, their salts or anhydrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/04—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters
    • C08J2333/14—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters of esters containing halogen, nitrogen, sulfur, or oxygen atoms in addition to the carboxy oxygen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

Abstract

本发明公开了一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式，该水凝胶驱动器是由阳离子单体[3‑(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵和阴离子单体对苯乙烯磺酸钠、丙烯酸类单体通过自由基共聚得到的水凝胶，再经过碱性溶液浸泡处理后在酸性溶液中获得固定的临时形状制备得到；该水凝胶驱动器可通过改变溶液pH值的方法使水凝胶在溶液中实现自发形状改变的驱动功能。

Description

一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法 与驱动方式
技术领域
本发明涉及功能性聚两性电解质材料的智能驱动器材料领域，具体涉及一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式。
背景技术
水凝胶由于含有大量的水，并且具有完善的三维网络结构赋予其软物质的特性，具有弱刺激-强响应、少添加-大效果、驱动条件温和等优点；而软物质驱动器特别是水凝胶驱动器在智能器件领域的发展日益受到关注。聚两性电解质水凝胶则是包含阳离子单体、阴离子单体甚至中性单体的一种水凝胶，与聚电解质不同的是它具有十分独特的溶胀行为，这种性质对新型驱动器材料的开发和设计具有重要的启发和指导意义，将聚两性电解质水凝胶应用于智能驱动器的设计与开发，是今后智能柔性材料的研究热点之一。
在凝胶驱动器的研究中，形状记忆凝胶驱动器可以从临时形状回复到原始形状，为目前研究颇为广泛的一种水凝胶驱动器。但目前报道的形状记忆凝胶驱动器的每一个驱动周期都需要先用外力将凝胶固定为一个临时形状（ACS Appl. Mater. Interfaces2016, 8, 12384−12392；Macromol. Mater. Eng. 2017, 302, 1600359），而无法实现凝胶自发的在临时形状与原始形状之间转换，因此凝胶驱动器的操作方式比较复杂，大大制约了水凝胶在驱动器领域的应用。
聚两性电解质水凝胶由具有正负电荷的两性聚电解质通过静电吸引交联作用制备而成，具有特殊pH响应性和溶胀行为。受此启发，我们创造性地制备了一种具有pH响应性的聚两性电解质水凝胶驱动器，将合成传统聚两性电解质水凝胶的阴离子强电解质单体的一部分置换为弱电解质单体，通过改变溶液的pH使水凝胶强度和溶胀度发生改变，实现水凝胶在具有形状记忆功能的同时可实现自发驱动现象。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式。
本发明的可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器由阳离子单体[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵和阴离子单体对苯乙烯磺酸钠、丙烯酸类单体通过自由基共聚得到；该水凝胶驱动器可通过改变溶液pH值的方法使水凝胶在溶液中实现自发形状改变的驱动功能。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备聚两性电解质水凝胶：将阳离子单体[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵、阴离子单体对苯乙烯磺酸钠和丙烯酸类单体、引发剂分散在水中，并除去反应液中的氧气；然后将反应液加入到模具中并密封，引发聚合得到聚两性电解质水凝胶；
（2）制备聚两性电解质水凝胶驱动器：将步骤（1）制备的聚两性电解质水凝胶在碱性溶液中浸泡，使用外力使聚两性电解质水凝胶获得临时形状；再将具有临时形状的聚两性电解质水凝胶放入酸性溶液中固定临时形状，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器。
进一步地，步骤（1）所述阳离子单体与阴离子单体的摩尔比为1:1，对苯乙烯磺酸钠与丙烯酸类单体的摩尔比为1:9 ~ 9:1，总单体在反应液中的摩尔浓度为0.8 ~ 4 mol/L；所述丙烯酸类单体为丙烯酸和甲基丙烯酸中的一种以上。
进一步地，步骤（1）所述引发剂为光引发剂或热引发剂，当使用光引发剂时，采用波长范围为300~380nm，功率为10~50 W的紫外光照射6~24小时引发聚合；当使用热引发剂时，在50 ~ 75℃聚合10~40小时；所述引发剂的用量为总单体摩尔量的0.05% ~ 0.5%。
进一步地，所述光引发剂为α-酮戊二酸，所述热引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
进一步地，步骤（2）所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液，浓度为0.001 ~ 1 mol/L；所述浸泡的时间为1 ~ 10分钟。
进一步地，步骤（2）所述酸性溶液为HCl溶液、H2SO4溶液或HNO3溶液，浓度为0.001~ 1 mol/L；所述固定的时间为0.5 ~ 25分钟；所述临时形状是与聚两性电解质水凝胶原始形状不同的形状。
以上所述的制备方法制得的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器。
以上所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的驱动方式，包括如下步骤：
（1） 将聚两性电解质水凝胶驱动器放入碱性溶液中浸泡，临时形状可恢复为原始形状；
（2） 将恢复为原始形状的聚两性电解质水凝胶驱动器再放入酸性溶液中浸泡，所述聚两性电解质水凝胶驱动器即可在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状；
（3）将具有临时形状的聚两性电解质水凝胶驱动器再进行步骤（1）的操作，所述聚两性电解质水凝胶驱动器即可恢复为原始形状，将恢复为原始形状的聚两性电解质水凝胶驱动器再进行步骤（2）的操作，所述聚两性电解质水凝胶驱动器在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状；即，通过步骤（1）和步骤（2）的连续重复操作，可以实现通过控制溶液pH值，在不施加外力作用的情况下，使所述聚两性电解质水凝胶驱动器在溶液中在临时形状与原始形状之间自发变化以产生驱动。
进一步地，所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液，浓度为0.001 ~ 1 mol/L；所述浸泡时间为1 ~ 30分钟。
进一步地，所述酸性溶液为HCl溶液、H2SO4溶液或HNO3溶液，浓度为0.001 ~ 1mol/L；所述浸泡时间为0.5 ~ 25分钟；所述临时形状是与聚两性电解质水凝胶驱动器原始形状不同的形状。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点与技术效果：
1. 本发明所提供的聚两性电解质水凝胶驱动器，可通过控制溶液pH，在不施加外力作用的情况下，使凝胶在溶液中在临时形状与原始形状之间自发变化以产生驱动，且此过程可多次重复进行。
2. 本发明的可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器，克服了传统形状记忆水凝胶驱动器每个形状记忆周期都必须通过外力获得临时形状的缺陷。
3. 本发明所提供的可连续自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器可用于设计自发驱动的柔性机器人等智能驱动设备。
4. 本发明采用“一锅法”直接共聚得到水凝胶，与传统制备聚两性电解质水凝胶相比，在聚合过程中不添加NaCl等反离子到反应体系中，聚合之后不需要泡水等后续处理步骤，合成方法简单，制备的水凝胶可直接用来制备水凝胶驱动器。
5. 本发明在保证阴阳离子单体摩尔比例为1:1的前提下，可以通过控制两种阴离子单体的比例来调节水凝胶的强度，同时还可以通过调节酸溶液或碱溶液的浓度及浸泡时间来控制该水凝胶驱动器自发驱动的速率及驱动幅度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。对实施例中得到的水凝胶，采用Xiong等Macromolecules，2009，42：3811-3817文献公开的方法测定机械性能，采用Huang等ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 12384-12392文献公开的方法测定水凝胶的驱动过程。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.12 mL除氧去离子水中，然后加入0.358 mL甲基丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为300nm，功率为10W的紫外光下照射24小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为220 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复10次。
实施例2
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.049 mL除氧去离子水中，然后加入0.429 mL甲基丙烯酸单体、0.6928 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为380nm，功率为30W的紫外光下照射12小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为168 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复8次。
实施例3
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.192 mL除氧去离子水中，然后加入0.286 mL甲基丙烯酸单体、1.0392 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为365nm，功率为50W的紫外光下照射6小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为243 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复13次。
实施例4
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.12 mL除氧去离子水中，然后加入0.358 mL甲基丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为320nm，功率为40W的紫外光下照射11小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为220 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.01 mol/L盐酸溶液中10分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复11次。
实施例5
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.12 mL除氧去离子水中，然后加入0.358 mL甲基丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为360nm，功率为45W的紫外光下照射10小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为220 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.001 mol/L盐酸溶液中25分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复12次。
实施例6
在室温下将1.342 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在6.413 mL除氧去离子水中，然后加入0.245 mL甲基丙烯酸单体、0.0660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.00047 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为360nm，功率为40W的紫外光下照射6小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为103 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复6次。
实施例7
在室温下将6.708 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在1.156 mL除氧去离子水中，然后加入0.136 mL甲基丙烯酸单体、2.9691 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0234 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为340nm，功率为15W的紫外光下照射24小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为658 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复16次。
实施例8
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.19 mL除氧去离子水中，然后加入0.288 mL丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0114 g过硫酸钾，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于50 ℃环境中40小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为158 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L Ba(OH)2溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1mol/L HNO3溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L Ba(OH)2溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L HNO3溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L Ba(OH)2溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复7次。
实施例9
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.19 mL除氧去离子水中，然后加入0.288 mL丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0096 g过硫酸铵，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于75 ℃环境中10小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为206 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L Ca(OH)2溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1mol/L H2SO4溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L Ca(OH)2溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L H2SO4溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L Ca(OH)2溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复9次。
实施例10
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.12 mL除氧去离子水中，然后加入0.358 mL甲基丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0114 g过硫酸钾，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于65 ℃环境中12小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为176 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.1 mol/L KOH溶液中5分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.1mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.1 mol/L KOH溶液中10分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.1 mol/L KOH溶液中10分钟又恢复至原始形状，此过程可重复12次。
实施例11
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.12 mL除氧去离子水中，然后加入0.358 mL甲基丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为365nm，功率为40W的紫外光下照射11小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为220 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在1 mol/L KOH溶液中1分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在1 mol/L盐酸溶液中0.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在1 mol/L KOH溶液中1分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在1 mol/L盐酸溶液中0.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在1mol/L KOH溶液中1分钟又恢复至原始形状，此过程可重复5次。
实施例12
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.12 mL除氧去离子水中，然后加入0.358 mL甲基丙烯酸单体、0.8660 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0061 g α-酮戊二酸，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于波长为330nm，功率为25W的紫外光下照射18小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为220 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.001 mol/L氢氧化钠溶液中10分钟；然后利用外力将其拧成螺旋状，浸泡在0.001 mol/L盐酸溶液中25分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.001 mol/L氢氧化钠溶液中30分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.001 mol/L盐酸溶液中25分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.001 mol/L氢氧化钠溶液中30分钟又恢复至原始形状，此过程可重复14次。
实施例13
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在3.959 mL除氧去离子水中，然后加入0.519 mL丙烯酸单体、0.1732 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0114 g过硫酸钾，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于65 ℃环境中12小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为176 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.001 mol/L Ba(OH)2溶液中10分钟；然后利用外力使其弯曲，浸泡在0.1mol/L 盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.001 mol/L Ba(OH)2溶液中30分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.1mol/L盐酸溶液中1.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.001mol/L Ba(OH)2溶液中30分钟又恢复至原始形状，此过程可重复5次。
实施例14
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.42 mL除氧去离子水中，然后加入0.058 mL丙烯酸单体、1.5588 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0114 g过硫酸钾，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于65 ℃环境中12小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为176 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.01 mol/L氢氧化钠溶液中7.5分钟；然后利用外力使其弯曲，浸泡在0.001mol/L HNO3溶液中25分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.01 mol/L氢氧化钠溶液中20分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.001mol/L HNO3溶液中25分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.01 mol/L氢氧化钠溶液中20分钟又恢复至原始形状，此过程可重复14次。
实施例15
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.132 mL除氧去离子水中，然后加入0.346 mL丙烯酸单体、0.6928 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0096 g过硫酸铵，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于65 ℃环境中12小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为176 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在0.01 mol/L Ca(OH)2溶液中7.5分钟；然后利用外力使其弯曲，浸泡在0.01mol/L 盐酸溶液中10分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在0.01 mol/L Ca(OH)2溶液中20分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在0.01 mol/L盐酸溶液中10分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在0.01 mol/L Ca(OH)2溶液中20分钟又恢复至原始形状，此过程可重复8次。
实施例16
在室温下将3.522 mL [3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵溶液（浓度为50wt%）分散在4.247 mL除氧去离子水中，然后加入0.231 mL丙烯酸单体、1.0392 g对苯乙烯磺酸钠单体，搅拌得到均匀的分散液，向分散液中通入氩气以除去其中的氧气，接着加入0.0096 g过硫酸铵，搅拌至完全溶解，最后将反应液加入到模具中并密封，置于65 ℃环境中12小时，得到聚两性电解质水凝胶，其拉伸断裂强度为176 kPa；将制备的聚两性电解质水凝胶浸泡在1 mol/L氢氧化钠溶液中1分钟；然后利用外力使其弯曲，浸泡在1 mol/L盐酸溶液中0.5分钟，该水凝胶定形，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；将该驱动器浸泡在1mol/L氢氧化钠溶液中1分钟，驱动器恢复至原始形状，然后浸泡在1 mol/L盐酸溶液中0.5分钟，该水凝胶驱动器又自发变成临时形状；接着再浸泡在1 mol/L氢氧化钠溶液中1分钟又恢复至原始形状，此过程可重复11次。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，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，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备聚两性电解质水凝胶：将阳离子单体[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]三甲基氯化铵、阴离子单体对苯乙烯磺酸钠和丙烯酸类单体、引发剂分散在水中，并除去反应液中的氧气；然后将反应液加入到模具中并密封，引发聚合得到聚两性电解质水凝胶；
（2）制备聚两性电解质水凝胶驱动器：将步骤（1）制备的聚两性电解质水凝胶放在碱性溶液中浸泡，使用外力使聚两性电解质水凝胶获得临时形状；再将具有临时形状的聚两性电解质水凝胶放入酸性溶液中固定临时形状，即得到聚两性电解质水凝胶驱动器；
步骤（1）所述阳离子单体与阴离子单体的摩尔比为1:1，对苯乙烯磺酸钠与丙烯酸类单体的摩尔比为1:9 ~ 9:1，总单体在反应液中的摩尔浓度为0.8 ~ 4 mol/L；所述丙烯酸类单体为丙烯酸和甲基丙烯酸中的一种以上。
2.如权利要求1所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述引发剂为光引发剂或热引发剂，当使用光引发剂时，采用波长范围为300~380nm，功率为10~50W的紫外光照射6~24小时引发聚合；当使用热引发剂时，在50 ~75℃聚合10~40小时；所述引发剂的用量为总单体摩尔量的0.05% ~ 0.5%。
3.如权利要求2所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为α-酮戊二酸，所述热引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
4.如权利要求1所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液，浓度为0.001 ~ 1 mol/L；所述浸泡的时间为1 ~ 10分钟。
5.如权利要求1所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述酸性溶液为HCl溶液、H2SO4溶液或HNO3溶液，浓度为0.001 ~ 1 mol/L；所述固定的时间为0.5 ~ 25分钟；所述临时形状是与聚两性电解质水凝胶原始形状不同的形状。
6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器。
7.权利要求6所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的驱动方式，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将聚两性电解质水凝胶驱动器放入碱性溶液中浸泡，临时形状可恢复为原始形状；
（2）将恢复为原始形状的聚两性电解质水凝胶驱动器再放入酸性溶液中浸泡，所述聚两性电解质水凝胶驱动器即可在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状；
（3）将具有临时形状的聚两性电解质水凝胶驱动器再进行步骤（1）的操作，所述聚两性电解质水凝胶驱动器即可恢复为原始形状，将恢复为原始形状的聚两性电解质水凝胶驱动器再进行步骤（2）的操作，所述聚两性电解质水凝胶驱动器在没有外力作用的情况下自发的变回之前的临时形状；即，通过步骤（1）和步骤（2）的连续重复操作，可以实现通过控制溶液pH值，在不施加外力作用的情况下，使所述聚两性电解质水凝胶驱动器在溶液中在临时形状与原始形状之间自发变化以产生驱动。
8.如权利要求7所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的驱动方式，其特征在于，步骤（1）所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液，浓度为0.001 ~ 1 mol/L；所述浸泡时间为1 ~ 30分钟。
9.如权利要求7所述的一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器的驱动方式，其特征在于，步骤（2）所述酸性溶液为HCl溶液、H2SO4溶液或HNO3溶液，浓度为0.001 ~ 1 mol/L；所述浸泡时间为0.5 ~ 25分钟；所述临时形状是与聚两性电解质水凝胶驱动器原始形状不同的形状。
CN201710376912.2A 2017-05-25 2017-05-25 一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式 Active CN107141407B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710376912.2A CN107141407B (zh) 2017-05-25 2017-05-25 一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710376912.2A CN107141407B (zh) 2017-05-25 2017-05-25 一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107141407A CN107141407A (zh) 2017-09-08
CN107141407B true CN107141407B (zh) 2019-04-09

Family

ID=59780051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710376912.2A Active CN107141407B (zh) 2017-05-25 2017-05-25 一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107141407B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765637C1 (ru) * 2021-03-15 2022-02-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД)" Способ получения полиамфолитного гидрогеля

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108404980B (zh) * 2018-02-06 2020-06-23 西北师范大学 一种负载金纳米粒子的高性能高强度复合凝胶的合成及应用
CN109082126B (zh) * 2018-06-29 2021-02-12 华南理工大学 一种葡萄糖响应驱动的水凝胶多级马达及其制备方法
CN110028681B (zh) * 2019-04-19 2020-06-16 西南交通大学 三重形状记忆聚两性电解质水凝胶的制备方法和使用方法
CN112086296B (zh) * 2019-06-13 2022-05-13 南京理工大学 以物理交联的水凝胶电解质薄膜及其制备方法和应用
CN110924156A (zh) * 2019-12-13 2020-03-27 江阴开源非织造布制品有限公司 一种亲水透气型无纺布及其制备方法
CN111253514A (zh) * 2020-01-15 2020-06-09 青岛大学 一种高强度氢氧化锆纳米复合水凝胶及其制备与作为电驱动器的应用
CN112476405B (zh) * 2020-12-07 2022-01-25 北京大学 一种软体机器人及其制造方法
CN114350080B (zh) * 2022-01-07 2023-02-03 西南交通大学 一种水凝胶传感器及其制备方法
CN115785332B (zh) * 2022-12-22 2023-11-21 湖北工业大学 一种强韧性聚两性电解质水凝胶的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1974609A (zh) * 2006-11-24 2007-06-06 清华大学 电子束辐射聚合直接合成pH敏感性聚合物水凝胶的方法
CN102382797A (zh) * 2011-07-08 2012-03-21 西安交通大学 人体iPS细胞未分化扩增的水凝胶培养支架的制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1974609A (zh) * 2006-11-24 2007-06-06 清华大学 电子束辐射聚合直接合成pH敏感性聚合物水凝胶的方法
CN102382797A (zh) * 2011-07-08 2012-03-21 西安交通大学 人体iPS细胞未分化扩增的水凝胶培养支架的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Autonomous self-healing of poly(acrylic acid) hydrogels induced by the migration of ferric ions";Wei, ZJ 等;《polymer chemistry》;20130917;第4卷(第17期);第4601-4605页
"Crack Blunting and Advancing Behaviors of Tough and Self-healing Polyampholyte Hydrogel";feng luo等;《MACROMOLECULES》;20140828;第47卷(第17期);第6037-6046页
"热致塑性形状记忆水凝胶的制备与表征";樊宇佼;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》;20160915(第9期);全文

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765637C1 (ru) * 2021-03-15 2022-02-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД)" Способ получения полиамфолитного гидрогеля

Also Published As

Publication number Publication date
CN107141407A (zh) 2017-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107141407B (zh) 一种可自发驱动的聚两性电解质水凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式
CN105175755B (zh) 一种高强度高拉伸双网络物理交联水凝胶及其制备方法
CN103205006B (zh) 一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜及其制备方法
Yao et al. Electromechanical responses of strong acid polymer gels in DC electric fields
CN110028681B (zh) 三重形状记忆聚两性电解质水凝胶的制备方法和使用方法
CN108395548A (zh) 一种具有盐-温度双重响应的双层水凝胶的制备方法、产品及应用
EP1178059A3 (en) Water-absorbent resin, hydropolymer, process for producing them, and uses of them
CN107163185B (zh) 一种可自发驱动的多巴胺凝胶驱动器及其制备方法与驱动方式
CN107189008A (zh) 一种较低分子量两性聚丙烯酰胺及其制备方法
CN111019041A (zh) 高导电、可拉伸压缩、可修复的两性离子凝胶聚合物电解质及其制备、应用
CN110229286B (zh) 一种利用粘度差一步制备不对称结构水凝胶的方法及其产品和应用
CN105315403B (zh) 耐温抗盐活性微球及其制备方法和应用
CN113999476B (zh) 一种双重刺激响应性导电复合水凝胶及其制备方法和应用
CN105199281A (zh) 一种具备超高力学强度和化学稳定性的新型水凝胶
CN104262880B (zh) 一种高强度抑菌纳米复合阳离子双网络水凝胶及其制备方法
CN102167837B (zh) 一种离子聚合物-金属机敏电驱动复合材料的制备方法
JP2008163055A (ja) 高強度ゲルおよびそのゲルの製造方法
CN109942745A (zh) 一种双交联水凝胶的制备方法
CN106142786A (zh) 一种双层水凝胶仿生手及其制备方法
CN109232921A (zh) 一种三重网络水凝胶的制备方法
CN105330885A (zh) 一种压电凝胶及其制备方法与应用
CN104262534B (zh) 一种蒙脱土复合阳离子水凝胶及其制备方法
CN105153456A (zh) 一种具有湿度响应变色特性的光子晶体材料及其制备方法
CN110354827A (zh) 一种磁性水凝胶吸附材料的合成方法
CN112239547A (zh) 一种多模式形变的水凝胶变形器及其制备方法与变形方式

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant