CN110713749B - 一种电响应聚合物材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电响应聚合物材料及其制备方法与应用，所述电响应聚合物材料对于电压信号具有相应功能，在电压幅值范围为5‑20伏时，单周期响应时间小于30秒。所述制备方法包含以下步骤：a、将电响应性的单体溶于水或二甲亚砜溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，加入交联剂，在室温下混合，得到具有电响应性的聚合物前驱液；b、向聚合物前驱液中添加光引发剂或热引发剂，超声分散，得到增材制造所需的打印墨水；c、固化打印墨水，得到电响应聚合物材料。所述电响应聚合物材料能够应用于制造随电信号形变的增材。本发明将电响应聚合物通过不同的改性方式使其应用于多领域的增材制造，与传统加工方式相比，有着较高的精度和较低成本。

Description

一种电响应聚合物材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及功能材料制造，具体为一种电响应聚合物材料及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，响应性聚合物材料凭借其可塑性、可控性、响应能动性在智能化材料领域有着越来越多的应用。其中，能够对电场刺激做出响应行为的称之为电响应聚合物材料。与其他外界刺激因素相比，电场具有较好的可控性，且电场搭建简便，成本低廉。
现有的电响应聚合物材料制备成型工艺多为大批量一体化生产，有着较高的加工效率，但存在着成型结构较为单一，成型尺寸存在误差等问题难以制备出结构可控的精细化聚合物材料结构。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种用于增材制造的电响应聚合物材料，本发明的另一目的是提供一种精度高、成本低的电响应聚合物材料的制备方法，本发明的再一目的是提供一种电响应聚合物材料应用于制造随电信号形变的增材。
技术方案：本发明所述的一种电响应聚合物材料，其特征在于：对于电压信号具有相应功能，在电压幅值范围为5-20伏时，单周期响应时间小于30秒。
上述电响应聚合物材料的制备方法，包含以下步骤：
(a)将电响应性的单体溶于水或二甲亚砜溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入交联剂，在室温下混合，得到具有电响应性的聚合物前驱液；
(b)根据增材制造所需的固化方法，向上述具有电响应性的聚合物前驱液中添加光引发剂或热引发剂，超声分散，得到增材制造所需的打印墨水；
(c)以增材制造的形式固化打印墨水，得到电响应聚合物材料。
其中，步骤(a)中，电响应性的单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、3-磺丙基丙烯酸钾、丙烯酸钠中的一种或多种。交联剂为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、醋酸丁酸纤维素、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。
当步骤(b)中，光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮或2，2-二甲氧基-苯基苯乙酮，步骤(c)中，固化光源的中心波长为100-800纳米半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的一种或两种以上的任意混合。固化方式为紫外光聚合或双光子聚合。
当步骤(b)中，热引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵和过硫酸钾中的任意一种，固化方式为热聚合，可采用在增材制造过程中提高温度的方式实现。
为了增加电响应聚合物的柔韧性，使电响应现象更加明显，步骤(a)中加入交联剂的同时，加入丙烯酰胺或聚乙二醇，超声分散。
上述电响应聚合物材料应用于制造随电信号形变的增材。
测试其电响应性质的电极可选用石墨电极或铂金电极，电极间距控制在3-8厘米，根据需要调整电极材质、大小及间距。
测试原理：由于电极的大小间距等因素主要影响着空间中场强分布，场强分布直接影响着电响应材料的响应程度，因此，电极参数的调节主要依据电响应程度的要求来改变，如电极间距减小在电压不变的情况下场强增加，电极的摆放角度也影响着空间中电场线密度等。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、本发明将电响应聚合物通过不同的改性方式使其应用于多领域的增材制造，与传统加工方式相比，有着较高的精度和较低成本；
2、在制备出结构精细，形状可控的电响应聚合物材料的同时，使其应用于微型传感、医用高分子以及仿生材料等领域，由于该类具有良好的生物相容性，有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明电响应聚合物材料在电场中偏转角度与所加电压的关系图；
图2是加电压前电响应聚合物材料用于器官芯片中的流道可控制阀示意图；
图3是加电压后电响应聚合物材料用于器官芯片中的流道可控制阀示意图。
具体实施方式
以下各实施例中，丙烯酸羟乙酯的分子量为116，甲基丙烯酸羟乙酯的分子量为130，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的分子量为154，聚乙烯醇的分子量为30000，聚乙二醇的分子量为200。
实施例1
一种电响应聚合物材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)电响应聚合物前驱液的制备：将电响应性的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、乙烯醇混合单体25微克溶于200微升超纯水溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入醋酸丁酸纤维素交联剂，在室温下使用微型漩涡混合仪混合，均匀混合30分钟后，得到具有电响应性的聚合物前驱液；
(2)改性试剂的选择：为了增加电响应聚合物的柔韧性，使电响应现象更加明显，量取4毫克丙烯酰胺加入到聚合物前驱液中，在室温下进行超声2小时，使其均匀分散；
(3)向配制完成的电响应聚合物溶液中添加热引发剂过硫酸铵，体积分数为1％，超声分散，得到增材制造所需的打印墨水；
(4)以增材制造的形式热聚合固化打印墨水，得到电响应聚合物材料，其在0-15V电压下的偏转角度随电压变化如图1所示。
其中，过硫酸铵可以替换为过硫酸钾。
实施例2
一种电响应聚合物材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)电响应聚合物前驱液的制备：将电响应性的丙烯酸单体160微升加入40微升二甲亚砜溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入甲基丙烯酸甲酯交联剂，在室温下使用微型漩涡混合仪混合，均匀混合30分钟后，得到具有电响应性的聚合物前驱液；
(2)改性试剂的选择：为了增加电响应聚合物的柔韧性，使电响应现象更加明显，量取10微升聚乙二醇加入到聚合物前驱液中，在室温下进行超声2小时，使其均匀分散；
(3)向配制完成的电响应聚合物溶液中添加光引发剂2，2-二甲氧基-苯基苯乙酮，固化光源的中心波长为800纳米半导体激光器，体积分数为1％，超声分散，避光保存，得到增材制造所需的打印墨水；
(4)以增材制造的形式双光子聚合固化打印墨水，得到电响应聚合物材料。
其中，甲基丙烯酸甲酯可以替换为丙烯酰胺、醋酸丁酸纤维素、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。
实施例3
一种电响应聚合物材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)电响应聚合物前驱液的制备：将电响应性的3-磺丙基丙烯酸钾单体20微克溶于200微升水溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入甲基丙烯酸羟乙酯交联剂，在室温下使用微型漩涡混合仪混合，均匀混合30分钟后，得到具有电响应性的聚合物前驱液；
(2)改性试剂的选择：为了增加电响应聚合物的柔韧性，使电响应现象更加明显，量取5毫克丙烯酰胺加入到聚合物前驱液中，在室温下进行超声2小时，使其均匀分散；
(3)向配制完成的电响应聚合物溶液中添加光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，固化光源的中心波长为500纳米固态激光器，体积分数为1％，超声分散，避光保存，得到增材制造所需的打印墨水；
(4)以增材制造的形式紫外光聚合固化打印墨水，得到电响应聚合物材料。
其中，固态激光器可以替换为纳米半导体二极管、半导体激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的一种或两种以上的任意混合。
实施例4
一种电响应聚合物材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)电响应聚合物前驱液的制备：将电响应性的丙烯酸钠单体160微升加入40微升二甲亚砜溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入丙烯酰胺交联剂，在室温下使用微型漩涡混合仪混合，均匀混合30分钟后，得到具有电响应性的聚合物前驱液；
(2)改性试剂的选择：为了增加电响应聚合物的柔韧性，使电响应现象更加明显，量取10微升聚乙二醇加入到聚合物前驱液中，在室温下进行超声2小时，使其均匀分散；
(3)向配制完成的电响应聚合物溶液中添加热引发剂偶氮二异丁腈，体积分数为1％，超声分散，得到增材制造所需的打印墨水；
(4)以增材制造的形式热聚合固化打印墨水，得到电响应聚合物材料。
实施例5
一种电响应聚合物材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)电响应聚合物前驱液的制备：将电响应性的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体30微克溶于200微升水溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入丙烯酸羟乙酯交联剂，在室温下使用微型漩涡混合仪混合，均匀混合30分钟后，得到具有电响应性的聚合物前驱液；
(2)改性试剂的选择：为了增加电响应聚合物的柔韧性，使电响应现象更加明显，量取5毫克丙烯酰胺加入到聚合物前驱液中，在室温下进行超声2小时，使其均匀分散；
(3)向配制完成的电响应聚合物溶液中添加光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，固化光源的中心波长为100纳米半导体二极管，体积分数为1％，超声分散，避光保存，得到增材制造所需的打印墨水；
(4)以增材制造的形式紫外光聚合固化打印墨水，得到电响应聚合物材料。
实施例1-5所得的电响应聚合物材料对于电压信号具有相应功能，在电压幅值范围为5-20伏时，单周期响应时间小于30秒。能够应用于制造随电信号形变的增材。
应用1
由增材制造得到的电响应聚合物材料用于器官芯片中的流道电响应聚合物控制阀3。在器官芯片封装后可调控器官芯片流道4的流量和流速，如图2～3所示，在惰性电极2接通电源后，通过调控直流电源回路1的电源电压，在两极间形成不同场强的电场。电响应聚合物材料在电场的作用下发生响应性形变，不同的电场强度响应性不同，因此可以控制器官芯片流道4的流速和流量。
应用2
电响应聚合物材料用于制备负泊松比仿生材料，通过增材制造的方式制备出负泊松比网络结构，在电场中网络结构发生形变，产生负泊松比材料所具有的拉涨效果。由于电场可以操控电响应聚合物材料的形变，因此有利于原位地探究负泊松比材料的形变方式和过程。

Claims (1)

1.一种电响应聚合物材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（a）将电响应性的单体溶于水或二甲亚砜溶剂中，室温下超声分散处理后得到溶液，向其中加入交联剂，在室温下混合，得到具有电响应性的聚合物前驱液，加入交联剂的同时，加入丙烯酰胺或聚乙二醇，超声分散；
（b）根据增材制造所需的固化方法，向上述具有电响应性的聚合物前驱液中添加光引发剂，超声分散，得到增材制造所需的打印墨水；
（c）以增材制造的形式固化打印墨水，得到电响应聚合物材料，所述电响应聚合物材料对于电压信号具有相应功能，在电压幅值范围为5-20伏时，单周期响应时间小于30秒；
所述步骤（a）中，电响应性的单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、3-磺丙基丙烯酸钾、丙烯酸钠中的一种或多种；
交联剂为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、醋酸丁酸纤维素、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种；
所述步骤（b）中，光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮或 2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述步骤（c）中，固化光源的中心波长为100-800纳米；固化方式为双光子聚合；
所述电响应聚合物材料结构精细，形状可控，能应用于微型传感、医用高分子以及仿生材料。
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