CN112876598A - 一种多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法，是将表面修饰后的磁性颗粒加入到聚合物基体中，并通过外加磁场使磁性颗粒在基体中呈链状分布，从而获得目标产物。本发明所制备的磁性水凝胶具有各向异性结构，机械性能优异、稳定性好，且具有多响应性(溶胀、变刚度、压阻效应)，在诸多领域有着广泛的应用前景。

Description

一种多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁性水凝胶，具体涉及一种多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法。
背景技术
随着人机交互的迅速发展，软体机器人技术引起了人们的广泛关注，对于柔性材料和结构的研究成为一个重要的方向。水凝胶具有三维空间网状结构，十分柔软，在水中迅速溶胀并吸收大量体积的水而不溶解，具有可延展性、生物兼容性、可渗透性以及对外界刺激的响应能力，这些优异的性能让水凝胶材料成为了理想的柔性材料。但是，传统的水凝胶缺乏强度，容易发生永久性断裂，而且它们内部的结构简单，缺乏特殊的功能，几乎不对外界刺激敏感，这很大程度上限制了它们的应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种性能稳定、响应性良好且具有各向异性结构的磁性水凝胶的制备方法，选用纳米级铁磁颗粒作为填料，并通过外磁场的作用使填料在基体中具有一定的链状结构，提高材料的机械性能，所得材料的性能具有一定的可调控性。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
一种多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法，是按如下步骤进行：
步骤1、将1-3重量份的甲基丙烯酸和8-10重量份的磁性颗粒加入到乙醇溶液中，超声分散30～40min，然后再加入4-6重量份的乙烯基三甲氧基硅烷，机械搅拌20～30min，除去乙醇，真空干燥，得到表面修饰后磁性颗粒；
步骤2、将1-5重量份的聚合单体加入到20～40重量份的去离子水中，搅拌至完全溶解，然后依次加入0.1-0.5重量份的引发剂、1-6重量份的表面修饰后磁性颗粒、1-3重量份的交联剂和0.5-1重量份的促进剂，搅拌均匀后倒入模具中，然后施加磁场10～15min，即获得多响应且各向异性的磁性水凝胶。
作为优选，所述磁性颗粒为四氧化三铁磁性颗粒。
作为优选，所述磁性颗粒的粒径大小为1～10nm。
作为优选，所述聚合单体为丙烯酰胺或丙烯酸。
作为优选，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的至少一种。
作为优选，所述交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇脂和N,N-亚甲基丙烯酰胺中的至少一种。
作为优选，所述促进剂为四甲基乙二胺和三乙烯二胺中的至少一种。
作为优选，所述磁场的强度在0.1～1.0T。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明所制备的磁性水凝胶具有各向异性结构，机械性能优异、稳定性好，且具有多响应性(溶胀、变刚度、压阻效应)，可应用于药物运输、柔性驱动器、组织工程、人工肌肉、软体机器人、传感器件、仿生器件、生物医药、柔性电子等诸多领域。
2、本发明的制备方法工艺简单、成本低、环保。
3、本发明的制备方法，通过对磁性颗粒进行表面修饰可以提高颗粒在聚合物基体中的分散性。
4、本发明的制备方法，通过外磁场的作用可以实现磁性颗粒在水凝胶基体中的定向排列，从而有效增加水凝胶的力学性能，同时使其具有方向性结构。
附图说明
图1为实施例1所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的SEM图，其中(b)图为(a)图的局部放大图。
图2为对比例1所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的SEM图，其中(b)图为(a)图的局部放大图。
图3为对比例2所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的SEM图，其中(b)图为(a)图的局部放大图。
图4为实施例1所制备的不同磁性颗粒添加量的磁性水凝胶的溶胀性能，其中(a)图为溶胀前后的对比照片、(b)图为不同磁性颗粒添加量的样品溶胀率SR柱状图。
图5为实施例1与对比例1所得磁性水凝胶的储能模量随频率的变化对比图。
图6为实施例1与对比例1所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.2％)的应变-压阻灵敏系数曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法，是按如下步骤进行：
步骤1、将1.2g甲基丙烯酸和10g四氧化三铁磁性颗粒加入到乙醇溶液中，超声分散30min，然后再加入4g乙烯基三甲氧基硅烷，机械搅拌20min，除去乙醇，60℃真空干燥2h，得到表面修饰后磁性颗粒。
步骤2、将2.4g聚合单体加入到20g去离子水中，搅拌至完全溶解，然后依次加入0.3g引发剂过硫酸铵、若干表面修饰后磁性颗粒(0g、1.95g、3.9g、5.58g，分别占磁性水凝胶质量的0wt％、7.4wt％、13.7wt％、18.5wt％)、1.25g交联剂N,N-亚甲基丙烯酰胺和0.6g促进剂四甲基乙二胺，搅拌均匀后倒入模具中，然后施加磁场15min(磁场强度为0.5T)，即获得不同磁性颗粒添加量的多响应且各向异性的磁性水凝胶。
对比例1
本对比例磁性水凝胶的制备方法，是按如下步骤进行：
步骤1、将1.2g甲基丙烯酸和10g四氧化三铁磁性颗粒加入到乙醇溶液中，超声分散30min，然后再加入4g乙烯基三甲氧基硅烷，机械搅拌20min，除去乙醇，60℃真空干燥2h，得到表面修饰后磁性颗粒。
步骤2、将2.4g聚合单体加入到20g去离子水中，搅拌至完全溶解，然后依次加入0.3g引发剂过硫酸铵、若干表面修饰后磁性颗粒(0g、1.95g、3.9g、5.58g，分别占磁性水凝胶质量的0wt％、7.4wt％、13.7wt％、18.5wt％)、1.25g交联剂N,N-亚甲基丙烯酰胺和0.6g促进剂四甲基乙二胺，搅拌均匀后倒入模具中，在无磁场的作用下生成磁性水凝胶。
对比例2
本对比例磁性水凝胶的制备方法，是按如下步骤进行：
将2.4g聚合单体加入到20mL去离子水中，搅拌至完全溶解，然后依次加入0.3g引发剂、1.95g表面未修饰的四氧化三铁磁性颗粒、1.25g交联剂和0.6g促进剂，搅拌均匀后倒入模具中，然后施加磁场15min(磁场强度为0.5T)，即获得磁性水凝胶。
图1为实施例1所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的SEM图，其中(b)图为(a)图的局部放大图，从图中可以看出：磁性颗粒在磁场的作用下于水凝胶基体中形成了明显的链状结构。
图2为对比例1所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的SEM图，其中(b)图为(a)图的局部放大图，从图中可以看出：没有磁场作用时，四氧化三铁颗粒在基体中并没有形成链状结构。
图3为对比例2所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的SEM图，其中(b)图为(a)图的局部放大图，从图中可以看出：表面未修饰的四氧化三铁磁性颗粒在水凝胶基体中发生了团聚现象。
将实施例1所制备的不同磁性颗粒添加量的多响应且各向异性的磁性水凝胶冻干后，在水中浸泡24h，测试其溶胀性能，结果如图4所示，其中(a)图为溶胀前后的对比照片、(b)图为不同磁性颗粒添加量的样品溶胀率SR柱状图。从图中可以看出磁性水凝胶的溶胀行为随磁性颗粒添加量的增加而减小，因此可以通过调控磁性颗粒的添加量来调控水凝胶的溶胀性。
图5为实施例1与对比例1所得磁性水凝胶的储能模量随频率的变化对比图，从图中可以看出：施加磁场所获得的磁性水凝胶的储能模量有明显的增加，因此可以通过磁场和颗粒链调节磁性水凝胶的储能模量，从而实现材料的变刚度可调控。
图6为实施例1与对比例1所得磁性水凝胶(磁性颗粒占聚合物质量的7.4％)的应变-压阻灵敏系数曲线，从图中可以看出：随着应变的增加，磁性水凝胶的压阻灵敏系数降低，实施例1所得磁性水凝胶的最低灵敏系数仍然有10左右，因此可以在较大的应变范围内保证有效的灵敏度，具有良好的压阻效应。且在应变较小时，实施例1所得磁性水凝胶的压阻灵敏系数远高于对比例1。
综合上述，本发明所制备的磁性水凝胶具有方向性(各向异性)结构且有多响应性(溶胀、变刚度、压阻效应)。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多响应且各向异性的磁性水凝胶的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1、将1-3重量份的甲基丙烯酸和8-10重量份的磁性颗粒加入到乙醇溶液中，超声分散30～40min，然后再加入4-6重量份的乙烯基三甲氧基硅烷，机械搅拌20～30min，除去乙醇，真空干燥，得到表面修饰后磁性颗粒；
步骤2、将1-5重量份的聚合单体加入到20～40重量份的去离子水中，搅拌至完全溶解，然后依次加入0.1-0.5重量份的引发剂、1-6重量份的表面修饰后磁性颗粒、1-3重量份的交联剂和0.5-1重量份的促进剂，搅拌均匀后倒入模具中，然后施加磁场10～15min，即获得多响应且各向异性的磁性水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁性颗粒为四氧化三铁磁性颗粒。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁性颗粒的粒径大小为1～10nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚合单体为丙烯酰胺或丙烯酸。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇脂和N,N-亚甲基丙烯酰胺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述促进剂为四甲基乙二胺和三乙烯二胺中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁场的强度在0.1～1.0T。
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