CN110608811A - 一种水凝胶基光纤温度传感器及其制备方法 - Google Patents

一种水凝胶基光纤温度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水凝胶基光纤温度传感器及其制备方法，包括：海藻酸钠作为皮层纺丝液，PNIPAM和PEGDA混合，加入光引发剂作为芯层纺丝液，利用横向同轴针头作为纺丝喷丝口；以CaCl2水溶液为凝固浴固化皮层海藻酸钠，加以紫外光源引发芯层纺丝液中单体溶液的自由基聚合反应；牵伸后即得。本发明可以通过调节PNIPAM和PEGDA的比例达到响应温度可调的水凝胶基光纤温度传感器。

Description

一种水凝胶基光纤温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于功能性水凝胶及其制备领域，特别涉及一种水凝胶基光纤温度传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，具有特殊响应功能的智能凝胶材料逐步兴起，能够对外部环境改变做出灵敏的响应，例如温度，pH，光，电场等外场环境的变化。因而，智能凝胶材料在智能传感、人造皮肤、组织工程等领域具有广阔的应用价值。光导纤维由于快速的传输检测特性在传感、环境检测等方向具有极大的应用前景，而凝胶光导纤维材料由于其不同于传统光纤质脆的软湿特性而能够被广泛应用于生物体内传感及信号传输器件的制备，并且由于水凝胶纤维高含水、高长径比的特性，能够适应高湿环境下对环境变化做出快速准确的响应，在对于处于高湿环境下温度等外场条件的控制领域具有广阔的应用前景。然而，当前对于具有温度响特性的光导水凝胶纤维仍然缺乏研究。而且皮芯结构水凝胶纤维的制备由于纤维成型和交联网络存在时间和空间上存在的矛盾而难以实现简单的一步连续制备方法。CN106243296A公开了一种二次交联提高水凝胶纤维力学性能的方法，但是这种方法仅能制备得到单一相结构的水凝胶纤维，而无法制备得到具有皮芯结构的水凝胶纤维。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水凝胶基光纤温度传感器及其制备方法，克服现有技术现有光纤材料不具备环境响应特性的缺陷，本发明中用具有良好生物相容性的海藻酸钠作为皮层纺丝液，另外将聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)混合，加入光引发剂，避光搅拌，静置，脱除气泡，将得到纺丝液作为芯层纺丝液。利用横向同轴针头作为纺丝喷丝口；以CaCl2水溶液为凝固浴固化皮层海藻酸钠，加以紫外光源引发芯层纺丝液中单体溶液的自由基聚合反应；牵伸后最终得到具有温敏性的皮芯结构水凝胶光纤。
本发明的一种水凝胶基光纤的制备方法，包括：
(1)将质量分数为1-5％的海藻酸钠水溶液作为皮层纺丝液；
(2)10wt％-50wt％的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA、5wt％-50wt％聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM的单体水溶液，加入光引发剂，避光搅拌混匀，得到芯层纺丝液；
(3)将皮层纺丝液、芯层纺丝液经同轴针头挤出至凝固浴中，在距离喷丝口1-10mm处设置紫外点光源，皮层纺丝液由于水浴中Ca2+的存在而固化，芯层溶液进入到紫外固化区后固化成型后形成芯层水凝胶纤维，得到初生水凝胶纤维，卷绕收集，即得皮芯结构水凝胶基光纤。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中海藻酸钠的分子量为Mw＝4000-200000。
所述步骤(2)中PEGDA分子量为Mw＝250-5000；PNIPAM分子量为Mw＝5000-100000；光
引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮IRGACURE 2959。
所述步骤(2)中光引发剂的质量为PEGDA溶液质量的0.2％-1％。
所述步骤(3)中同轴针头其外层纺丝孔的直径为1.0-3.0mm，芯层直径为0.2-1.0mm；同轴针头位于液面以下2-10cm深处水平放置；凝固浴为CaCl2水溶液，质量百分浓度1-3％。
所述步骤(3)中挤出为：通过推进泵将纺丝液经同轴针头挤出；皮层纺丝液的推进速率为2-20mL/h；芯层纺丝液的推荐速率为0.5-10mL/h；皮芯层挤出速率比范围为0.01-20。
所述步骤(3)中紫外点光源的波长为200-400nm；光路方向和纺丝液挤出方向的夹角范围为0-90°。
所述步骤(3)中卷绕收集为卷绕的线速度为1-150m/h，卷绕装置设置在水浴外靠近浴槽壁处。
所述步骤(3)中卷绕收集，通过调整滚筒的转速，对得到的初生水凝胶纤维进行牵伸。
本发明提供一种所述方法制备的水凝胶基光纤。
本发明提供一种所述水凝胶基光纤作为温度传感器的应用。
本发明的一种制备水凝胶基光纤的设备，依次包括：喷丝头、紫外点光源、浴槽、卷绕装置，所述喷丝头为同轴针头，同轴针头位于液面以下2-10cm深处水平放置，距离喷丝头1-10mm处设置紫外点光源，浴槽内设有导丝辊，浴槽外设置卷绕装置用于纤维牵伸和收集。
其中卷绕装置在水浴外靠近浴槽壁处。
有益效果
(1)针对当前对温敏性水凝胶纤维制备研究的缺乏，本发明利用基于同轴湿法纺丝的方法，以海藻酸钠为皮层纺丝液，以不同含量的PEGDA及PNIPAM单体为芯层纺丝液，挤出至水浴后，利用凝固的皮层海藻酸钠纤维稳定芯层溶液，保证芯层的单体溶液稳定地到达紫外固化区，固化后牵伸最终得到皮芯结构水凝胶纤维，并且这种制备方法具有连续、直径可控、温度响应可控的优点；
(2)本发明的制备一种水凝胶基光纤温度传感器，通过利用具有良好生物相容性的海藻酸钠和配制成的单体溶液分别作为皮层和芯层纺丝液，并利用横向同轴针头作为纺丝喷丝口；以CaCl2水溶液为凝固浴固化皮层海藻酸钠，加以紫外光源引发芯层纺丝液中单体的自由基聚合反应；牵伸后最终得到具有温敏性的皮芯结构温度传感水凝胶光纤；
(3)本发明中实现光导纤维对环境热快速灵敏响应，并且制备得到的皮芯结构水凝胶纤维皮、芯层直径可通过调整挤出速率比、卷绕速率和纺丝浓度来控制，并且其环境温度响应可以通过调控PEGDA与PNIPAM含量来调节。
附图说明
图1为实施例子1中皮芯结构水凝胶纤维的直径与不同纺丝参数间的关系；
图2为实施例子1中制备得到的水凝胶在不同温度下的透光度；
图3为制备得到的温敏性光导水凝胶纤维的温度传感循环特性。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例中采用的设备为：依次设有喷丝头、紫外点光源、浴槽、卷绕装置，所述喷丝头为同轴针头，同轴针头位于液面以下2-10cm深处水平放置，距离喷丝头1-10mm处设置紫外点光源，浴槽内设有导丝辊，浴槽外设置卷绕装置用于纤维牵伸和收集。
实施例1
室温下配制浓度为2wt.％的海藻酸钠(MW＝400000)水溶液，并配置浓度为20wt.％的PEGDA水溶液(Mw＝700)以及50wt％的PNIPAM(Mn＝113)单体溶液各20g，加入0.04g IRGACURE2959，室温下避光磁力搅拌6h至均匀的纺丝液。
利用推进泵将纺丝液通过同轴针头(外径为1.469mm，内径为0.557mm)挤出至氯化钙水浴(质量分数为3.0wt.％)中，皮层的挤出速率为10.0ml/h，芯层的挤出速率为5.0mL/h(皮芯层挤出速率比为2)。横向纺丝喷头浸于水浴液面以下2cm处。在距离喷丝口5mm处设置紫外点光源，波长400mm，光路方向和纺丝液挤出方向的夹角为30°。在水浴外设置滚筒，其线速度为9m/h，对初生皮芯结构水凝胶光纤进行卷绕收集，进一步紫外固化后获得连续的生物相容皮芯结构水凝胶光纤。
制备得到的纤维皮芯随皮芯层挤出比变化而变化示意图如图1所示，可以看出，皮芯结构水凝胶纤维的直径可以通过调节皮芯层挤出速度比来控制。
水凝胶在不同温度下透光度的变化示意图，如图2所示，可以看出随着温度升高到临界温度时，水凝胶会变得不透明。
温敏性水凝胶光纤的温度传感循环测试结果如图3所示，表明制备得到的温度传感器具有优异的传感特性。
实施例2
室温下配制浓度为1wt.％的海藻酸钠(MW＝4000)水溶液，并配置浓度为40wt.％的PEGDA水溶液(Mw＝700)以及5wt％的PNIPAM(Mn＝113)单体溶液各20g，加入0.04gIRGACURE2959，室温下避光磁力搅拌6h至均匀的纺丝液。
利用推进泵将纺丝液通过同轴针头(外径为1.469mm，内径为0.557mm)挤出至氯化钙水浴(质量分数为1.0wt.％)中，皮层的推进速率为2.0ml/h，芯层的推进速率为0.5mL/h(皮芯层挤出速率比为4.0)。横向纺丝喷头浸于水浴液面以下2cm处。在距离喷丝口5mm处设置紫外点光源，波长400mm，光路方向和纺丝液挤出方向的夹角为90°。在水浴外设置滚筒，其线速度为1m/h，对初生皮芯结构水凝胶光纤进行卷绕收集，进一步紫外固化后获得连续的生物相容皮芯结构水凝胶光纤。
实施例3
室温下配制浓度为4wt.％的海藻酸钠(MW＝200000)水溶液，并配置浓度为10wt.％的PEGDA(Mw＝700)以及50wt％的PNIPAM(Mn＝113)单体溶液各20g，加入0.04gIRGACURE2959，室温下避光磁力搅拌6h至均匀的纺丝液。
利用推进泵将纺丝液通过同轴针头(外径为1.469mm，内径为0.557mm)挤出至氯化钙水浴(质量分数为1.5wt.％)中，皮层的推进速率为20ml/h，芯层的推进速率为10mL/h，(皮芯层挤出速率比为2.0)。横向纺丝喷头浸于水浴液面以下2cm处。在距离喷丝口5mm处设置紫外点光源，波长400mm，光路方向和纺丝液挤出方向的夹角为1°。在水浴外设置滚筒，其线速度为18m/h，对初生皮芯结构水凝胶光纤进行卷绕收集，进一步紫外固化后获得连续的生物相容皮芯结构水凝胶光纤。

Claims (10)

1.一种水凝胶基光纤的制备方法，包括：
(1)将质量分数为1-5％的海藻酸钠水溶液作为皮层纺丝液；
(2)10wt％-50wt％的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA、5wt％-50wt％聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM的单体水溶液，加入光引发剂，避光搅拌混匀，得到芯层纺丝液；
(3)将皮层纺丝液、芯层纺丝液经同轴针头挤出至凝固浴中，在距离喷丝口1-10mm处设置紫外点光源，皮层纺丝液由于水浴中Ca2+的存在而固化，芯层溶液进入到紫外固化区后固化成型，得到初生水凝胶纤维，卷绕收集，即得皮芯结构水凝胶基光纤。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中海藻酸钠的分子量为Mw＝4000-200000。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中PEGDA分子量为Mw＝250-5000；PNIPAM分子量为Mw＝5000-100000；光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮IRGACURE 2959。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中光引发剂的质量为PEGDA溶液质量的0.2％-1％。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中同轴针头其外层纺丝孔的直径为1.0-3.0mm，芯层直径为0.2-1.0mm；同轴针头位于液面以下2-10cm深处水平放置；凝固浴为CaCl2水溶液。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中挤出为：通过推进泵将纺丝液经同轴针头挤出；皮层纺丝液的推进速率为2-20mL/h；芯层纺丝液的推进速率为0.5-10mL/h；皮芯层挤出速率比范围为0.01-20。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中紫外点光源的波长为200-400nm；卷绕收集为卷绕的线速度为1-150m/h。
8.一种权利要求1所述方法制备的水凝胶基光纤。
9.一种权利要求8所述水凝胶基光纤作为温度传感器的应用。
10.一种权利要求1所述水凝胶基光纤的制备方法所用装置。
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