CN112239547B - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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，制备方法包括(1)将海藻酸钠、丙烯酰胺、N,N’‑亚甲基双丙烯酰、2‑羟基‑4‑(2‑羟乙氧基)‑2‑甲基苯丙酮的预聚液1引发聚合；再加入将N‑异丙基丙烯酰胺、N,N’‑亚甲基双丙烯酰、2‑羟基‑4‑(2‑羟乙氧基)‑2‑甲基苯丙酮溶解在水中得到预聚液2，引发聚合得到具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；(2)使用外力将双层水凝胶获得临时形状，再放入金属离子溶液中固定临时形状，即得到多模式形变的水凝胶变形器，该水凝胶变形器可通过环境温度的变化使其实现自发形状改变的变形功能，通过改变形状记忆所得到的不同临时形状，从而实现多模式的形变方式。

Description

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
技术领域
本发明涉及智能水凝胶变形器材料领域，具体涉及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。
背景技术
智能水凝胶是一种根据外界环境(温度、pH、离子、光等)产生体积或颜色的变化，被广泛地应用于药物控释、化学检测、生物防伪以及仿生工程等诸多领域的材料。作为智能水凝胶的重要组成部分，智能水凝胶变形器可以在外界的刺激下，将外部能量转化为自身的机械能，从而实现智能可逆的形变。然而，由于水凝胶变形器其固化的各向异性结构，使得水凝胶变形器通常只能实现单一模式的形变，而不能根据应用环境的变化改变形变模式。
因此开发一种简单有效的方法，在不改变水凝胶变形器本体结构的前提下，实现多模式形变的切换对于水凝胶变形器在软质机器人的发展具有重大的意义。
传统的水凝胶变形器想要改变其形变模式，必须在制备的过程中改变水凝胶变形器的各向异性。然而，近期科研人员发现对于同一种水凝胶变形器，通过改变其外部形状能产生多种不同的变形结果【Adv.Mater.2018,1801669】，这预示着水凝胶变形器可以在制备完成之后，通过改变不同的形状再次实现不同的形变模式。
如CN107141407A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而得到，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。然而由于该发明的形状记忆与驱动过程均由pH控制，因而仅能实现简单的直条到弯曲的自发变形，对于实现更为复杂的三维形状之间的转变仍然是巨大的挑战。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中水凝胶驱动器形变方式单一的问题，提供一种多模式形变的水凝胶变形器的制备方法，通过形状记忆层与变形层的结合使得到的水凝胶在外界的刺激作用下，即可产生各种可逆的形变行为，该方法为智能水凝胶变形器的发展提供了新的思路。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多模式形变的水凝胶变形器的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备双层水凝胶：将海藻酸钠、丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在水中得到预聚液1；将N-异丙基丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在水中得到预聚液2；
将预聚液1加入到模具中并密封，引发聚合得到形状记忆层水凝胶，将预聚液2加入到形状记忆层水凝胶上层并密封，引发聚合得到具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)制备多模式水凝胶变形器：使用外力使步骤(1)制备的双层水凝胶获得临时形状，再将具有临时形状的双层水凝胶放入金属离子溶液中固定临时形状，即得到多模式形变的水凝胶变形器。
本发明的双层水凝胶变形器的形状记忆层是由海藻酸钠、单体丙烯酰胺、化学交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺通过紫外光引发聚合得到，变形层是由单体N-异丙基丙烯酰胺，化学交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺通过紫外光引发聚合得到；通过外力将水凝胶在金属离子溶液中固定临时形状得到水凝胶变形器，该水凝胶变形器可通过环境温度的变化使其实现自发形状改变的形变功能，通过改变形状记忆所得到的不同临时形状，从而实现多模式的形变。
所述预聚液1海藻酸钠质量分数为0.1％～4％，丙烯酰胺质量分数为10％～30％,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为0.05％～0.3％，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮质量分数为0.05％～0.3％。当海藻酸钠含量过低时将会影响水凝胶的形状记忆能力，使得所得双层凝胶无法固定临时形状；当丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺含量过低时将导致水凝胶力学性能的下降使得从而影响后续实验过程；当2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮含量过低时将导致水凝胶聚合过程从而无法得到相应的水凝胶。
所述预聚液2N-异丙基丙烯酰胺质量分数为10％～30％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为0.05％～0.3％，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮质量分数为0.05％～0.3％。当N-异丙基丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺含量过低时将导致水凝胶力学性能的下降使得从而影响后续实验过程；当2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮含量过低时将导致水凝胶聚合过程从而无法得到相应的水凝胶。
所述金属离子溶液中金属离子为Mg2+、Zn2+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Al3+、Eu3+、Tb3+、Ce3+、Fe3+中任一种或多种。
所述金属离子溶液中金属离子的浓度为0.01～1mol/L。
步骤(2)中在金属离子溶液中固定的时间为5s～20min。
在步骤(2)中，金属离子溶液的浓度和固定时间决定了双层水凝胶临时形状的记忆程度，可以通过调节金属离子溶液种类、金属离子浓度以及浸泡时间来控制该水凝胶变形器的变形速度及变形程度。当金属离子浓度过高时，或固定时间太长时，水凝胶变形器的变形速度变慢，甚至不发生变形；当金属离子浓度过低或固定时间过短时，双层水凝胶临时形状记忆程度低，甚至形状记忆率为0。
优选地，所述金属离子为Fe3+，浓度为0.01～0.1mol/L，固定的时间为20s～5min，形状记忆率可达30％～100％，且可产生变形行为；
或所述的金属离子为Ca2+，浓度为0.1～0.5mol/L，固定时间为3～10min，形状记忆率可达30％～90％，且可产生变形行为。
本发明还提供根据所述的制备方法制备的多模式形变的水凝胶变形器。该水凝胶变形器克服了现有技术中单一方向的形变模式，可随着环境变化实现可逆的变形效果。
本发明还提供所述的多模式形变的水凝胶变形器的变形方式，包括如下步骤：
(1)将具有临时形状的所述水凝胶变形器置于热水中浸泡，所述水凝胶变形器自发产生形变；
(2)将形变后的水凝胶变形器置于冷水中浸泡，在没有外力的作用下水凝胶变形器恢复成步骤(1)的临时形状；
(3)重复步骤(1)所述水凝胶变形器自发产生形变；重复步骤(2)在没有外力的作用下水凝胶变形器恢复成步骤(1)的临时形状；即通过连续重复步骤(1)和步骤(2)，通过控制环境温度实现水凝胶变形器多模式形变。
所述热水的温度为45～90℃，所述冷水的温度为0～30℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的多模式水凝胶变形器，可通过控制溶液温度以及金属离子的种类，实现凝胶在不同形状之间可编程化的自发变形，克服了现有技术中单一形变模式的缺陷。
(2)相较于现有技术中自发形变形状单一，本发明通过金属离子的超分子形状记忆赋予了水凝胶可编程的临时形状，从而使得水凝胶可以在温度触发下实现三维形状之间的转变，并且由于超分子作用的可逆性，我们还可实现对同一凝胶多次的形状编程过程，从而实现多种变形模式。
(3)本发明的制备方法简便易行的、适用范围广泛，所需设备成本低等，可作为智能柔性材料应用于多种智能驱动设备中。
附图说明
图1是本发明的双层水凝胶制备工艺流程示意图。
图2是实施例1中所获得双层水凝胶冻干后断面SEM图。
图3是实施例1中所获多模式形变水凝胶变形器变形效果图。
图4是实施例2中所获多模式形变水凝胶变形器变形效果图。
图5是实施例3中所获多模式形变水凝胶变形器变形效果图。
图6是实施例10中所获多模式形变水凝胶变形器变形效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
以下具体实施方式中所采用的所有原料均为市场所购，双层水凝胶的制备过程如图1所示，所用的合成模具由两个石英玻璃板中间夹一个硅胶圈组成，第一次聚合时硅胶圈厚度为0.5mm，第二次聚合时硅胶圈厚度为1mm，现将预聚液1置于中间空腔内，紫外光下聚合后再加入预聚液2，聚合形成双层片状水凝胶。
实施例1
(1)在室温下将0.015g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mgN,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3.0g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于100W 365nm紫外灯下聚合3min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于100W 365nm紫外灯下聚合4min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成如图3的“拐杖”形并将弯折部分浸入0.01mol/L的Fe3+溶液中3min固定形状，其形状记忆率约为30％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)如图3所示，将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入55℃热水中，变形器自发变形为“音符”形，再将变形器放入15℃的冷水中，变形器又自发恢复为“拐杖”形。
将步骤(1)制备的双层水凝胶冻干后用扫描电子显微镜(SEM)观察其断面形貌，结果如图2所示，可以看到两个多孔层通过约为30微米的致密界面层牢固连接，双层凝胶在界面处形成互穿网络，使其双层结合紧密。
实施例2
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3.0g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于50W 365nm紫外灯下聚合10min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于50W365nm紫外灯下聚合15min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成如图4“V”形并将弯折部分浸入0.05mol/L的Fe3+溶液中1min固定形状，其形状记忆率约为70％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)如图4所示，将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入45℃热水中，变形器自发变形为“爱心”形，再将变形器放入25℃的冷水中，变形器又自发恢复为“V”形。
实施例3
(1)在室温下将0.6g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3.0g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于220W 365nm紫外灯下聚合2min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于220W365nm紫外灯下聚合4min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成如图5“V”形并将弯折部分浸入0.05mol/L的Fe3+溶液中3min固定形状，其形状记忆率约为90％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)如图5所示，将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入50℃热水中，变形器自发变形为“3”形，放入20℃冷水中又自发恢复为“V”形。
实施例4
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于100W 365nm紫外灯下聚合3min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于100W365nm紫外灯下聚合4min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成“拐杖”形并将弯折部分浸入0.1mol/L的Fe3+溶液中5s固定形状，其形状记忆率约为50％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入60℃热水中自发变形为“音符”形，放入5℃冷水中又自发恢复为“拐杖”形。
实施例5
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于50W 365nm紫外灯下聚合10min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于50W365nm紫外灯下聚合30min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成“V”形并将弯折部分局部浸入0.1mol/L的Fe3+溶液中30s固定形状，其形状记忆率约为100％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入45℃热水中自发变形为“爱心”形，放入30℃冷水中又自发恢复为“V”形。
实施例6
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于15W 365nm紫外灯下聚合30min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于15W365nm紫外灯下聚合1h，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成“V”形并将弯折部分浸入0.01mol/L的Fe3+溶液中5min固定形状，其形状记忆率约为50％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入50℃热水中自发变形为“3”形，放入冷水15℃中又自发恢复为“V”形。
实施例7
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于100W 365nm紫外灯下聚合3min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于100W365nm紫外灯下聚合4min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成“V”形并将弯折部分浸入0.1mol/L的Fe3+溶液中1min固定形状，其形状记忆率约为100％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入45℃热水中自发变形为“爱心”形，放入20℃冷水中又自发恢复为“V”形。
实施例8
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于100W 365nm紫外灯下聚合3min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于100W365nm紫外灯下聚合4min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成扭转状态并全部浸入0.1mol/L的Ca2+溶液中4min固定形状，其形状记忆率约为20％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入60℃热水中自发变形为螺旋状态，放入25℃冷水中又自发恢复为扭转状态。
实施例9
(1)在室温下将0.45g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于220W 365nm紫外灯下聚合2min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于220W365nm紫外灯下聚合3min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成扭转状态并全部浸入0.1mol/L的Ca2+溶液中5min固定形状，其形状记忆率约为80％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入55℃热水中自发变形为螺旋状态，放入5℃冷水中又自发恢复为扭转状态。
实施例10
(1)在室温下将0.3g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入2.9g丙烯酰胺，32mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于100W 365nm紫外灯下聚合3min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于100W365nm紫外灯下聚合4min，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成如图6的扭转状态并全部浸入0.1mol/L的Ca2+溶液中3min固定形状，其形状记忆率约为50％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入60℃热水中自发变形为螺旋状态，放入10℃冷水中又自发恢复为扭转状态，其变化过程如图6所示。
实施例11
(1)在室温下将0.45g海藻酸钠溶解在15mL水中，然后加入3.0g丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，混合均匀得到预聚液1；将3g N-异丙基丙烯酰胺，30mg N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，30mg 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在15mL水中，混合均匀得到预聚液2；将预聚液1加入到模具中并密封，置于15W 365nm紫外灯下聚合30min，得到海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为形状记忆层；将预聚液2平铺在海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶上层，密封后在冰水浴条件下置于15W365nm紫外灯下聚合1h，得到聚N-异丙基丙烯酰胺-海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，即具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)将制备的双层水凝胶切成40mm*2mm*1mm的长条，将水凝胶长条拧成“拐杖”形并将弯折部分浸入0.5mol/L的Ca2+溶液中15min固定形状，其形状记忆率约为90％，得到多模式形变的水凝胶变形器；
(3)将步骤(2)制备的水凝胶变形器放入50℃热水中自发变形为“音符”形，放入25℃冷水中又自发恢复为“拐杖”形。

Claims (7)

1.一种多模式形变的水凝胶变形器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备双层水凝胶：将海藻酸钠、丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在水中得到预聚液1；将N-异丙基丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在水中得到预聚液2；
将预聚液1加入到模具中并密封，引发聚合得到形状记忆层水凝胶，将预聚液2加入到形状记忆层水凝胶上层并密封，引发聚合得到具有形状记忆和变形功能的双层水凝胶；
(2)制备多模式形变的水凝胶变形器：使用外力将步骤(1)制备的双层水凝胶获得临时形状，再将具有临时形状的双层水凝胶放入金属离子溶液中固定临时形状，即得到多模式形变的水凝胶变形器；
所述金属离子溶液中金属离子为Mg2+、Zn2+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Al3+、Eu3+、Tb3+、Ce3+、Fe3+中任一种或多种；
所述金属离子溶液中金属离子的浓度为0.01～1mol/L；
步骤(2)中在金属离子溶液中固定的时间为5s～20min。
2.根据权利要求1所述的多模式形变的水凝胶变形器的制备方法，其特征在于，所述预聚液1海藻酸钠质量分数为0.1％～4％，丙烯酰胺质量分数为10％～30％,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为0.05％～0.3％，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮质量分数为0.05％～0.3％。
3.根据权利要求1所述的多模式形变的水凝胶变形器的制备方法，其特征在于，所述预聚液2N-异丙基丙烯酰胺质量分数为10％～30％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为0.05％～0.3％，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮质量分数为0.05％～0.3％。
4.根据权利要求1所述的多模式形变的水凝胶变形器的制备方法，其特征在于，所述金属离子为Fe3+，浓度为0.05～0.1mol/L，固定的时间为20s～5min；或所述的金属离子为Ca2 +，浓度为0.1～0.5mol/L，固定时间为1～10min。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的制备方法制备的多模式形变的水凝胶变形器。
6.根据权利要求5所述的多模式形变的水凝胶变形器的变形方式，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将具有临时形状的所述水凝胶变形器置于热水中浸泡，所述水凝胶变形器自发产生形变；
(2)将形变后的水凝胶变形器置于冷水中浸泡，在没有外力的作用下水凝胶变形器恢复成步骤(1)的临时形状；
(3)重复步骤(1)所述水凝胶变形器自发产生形变；重复步骤(2)在没有外力的作用下水凝胶变形器恢复成步骤(1)的临时形状；即通过连续重复步骤(1)和步骤(2)，通过控制环境温度实现水凝胶变形器多模式形变。
7.根据权利要求6所述的多模式形变的水凝胶变形器的变形方式，其特征在于，所述热水的温度为45～90℃，所述冷水的温度为0～30℃。
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CN114539560B (zh) * 2022-02-15 2024-03-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种受损凝胶修复的方法

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CN103396562B (zh) * 2013-07-09 2015-07-08 西安交通大学 一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法
CN104672373A (zh) * 2015-01-26 2015-06-03 天津大学 钙离子形状记忆水凝胶及其在人类间充质干细胞分化中的应用
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CN109400818B (zh) * 2018-09-18 2020-11-24 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种聚丙烯酰胺水凝胶的制备方法
CN110437370B (zh) * 2019-08-06 2021-01-12 浙江工业大学 一种具有强界面作用的油/水双层凝胶的制备方法及其产品和应用
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