[发明专利]一种乳液基软凝胶热驱动微型马达及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能高分子材料领域，具体涉及一种乳液基软凝胶热驱动微型马达及其制备方法。

背景技术

微型马达是指尺寸在厘米及以下级别的，可以自行驱动，且具备特殊功能或能执行微观体系任务的器件。开发基于新的驱动原理的自驱动微型马达并探索其在实际生产中的多种应用是目前的一个研究热点。

2002年，美国哈佛大学的Whitesides提出了釆用简单的化学燃料和化学反应来将化学能转化为机械能对物体进行驱动的想法，并首次实现了基于化学燃料驱动的、大小在厘米级别的物体的自驱动，这就是第一个催化型的微型马达。催化型的微马达目前大多是依赖于过氧化氢溶液作为燃料，来实现自驱动的，因而其自驱动过程对驱动环境具有强烈依赖性，这限制了催化型微马达的应用范围。随后，不同驱动原理的微型马达不断被探索出来，如：磁力驱动微马达、超声驱动微马达以及热驱动微马达等。这些不同机理的微型马达的出现大大扩展了微型马达的应用范围。经过十多年的探索，微马达已经具备较为强大的动力、较为方便的运动控制，并可以对其进行智能化的修饰和操作，使其进行功能化集成。可以预见，动力强大的智能化微型马达，在未来的生物医疗技术以及环境保护领域都会有着强大的生命力和广阔的应用。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种乳液基软凝胶热驱动微型马达。这种乳液基软凝胶热驱动微型马达可预先将液体燃料存储在马达的凝胶基体中，在热的作用下，存储的低沸点液体燃料以气体形式喷射，产生强大驱动力。这种自携带燃料式的微型乳液基软凝胶热驱动微型马达，具有较强的环境适应性，不需要依赖外部燃料供应即可实现自驱动。

本发明的另一目的在于提供上述乳液基软凝胶热驱动微型马达的制备方法，该方法工艺简单，制备条件温和，设备要求较低，具有良好的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种乳液基软凝胶热驱动微型马达的制备方法，包括以下步骤：

（1）取乳化剂分散在水中，在冰水浴条件下超声分散10～20分钟，得到均匀的乳化剂水分散液；

（2）取水凝胶的单体，交联剂水溶液以及引发剂加入步骤（1）所得到的水分散液中，超声振荡均匀后，通氮气除氧，将该步骤得到的分散液作为水相；

（3）将低沸点、不溶于水的有机溶剂作为油相，加入到步骤（2）所得到的水相中，油水混合体系经乳化形成水包油型（O/W）乳液；

（4）在步骤（3）所得到的乳液中加入催化剂，在搅拌作用下混合均匀；

（5）将步骤（4）得到的乳液置于马达形状所对应的模具中并密封，置于5 ~15 ^oC下反应20～30小时，即得到乳液基软凝胶热驱动微型马达。

进一步地，步骤 (1) 所述的乳化剂是水包油型的乳化剂，可以是吐温20、吐温80或者聚乙烯醇（平均分子量为20,000~30,000）等，甚至也可以是亲水性的二氧化硅纳米粒子。乳化剂用量相对于水相的质量分数为0.5 % ~ 5%。

进一步优选的，步骤 (1) 所述的乳化剂为平均分子量为20,000 ~30,000的聚乙烯醇；乳化剂用量相对于水的质量分数为1 % ~ 3%。

进一步地，步骤 (2) 所述的水凝胶的单体是指一类水溶性的单体，其通过原位聚合法可得到水凝胶。具体可为丙烯酰胺、丙烯酸、异丙基丙烯酰胺等中的一种或者几种。水凝胶的单体用量为水相的8 wt% ~ 25 wt%；所述交联剂为化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，交联剂相对于单体的质量为0.025 % ~ 0.125 %；所述引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾，引发剂相对于单体的质量为0.25 %～0.5 %。

进一步优选的， 所述水凝胶的单体用量为水相的15 wt% ~ 20 wt%；交联剂相对于单体的质量为0.025 % ~ 0.050 %；

进一步地，步骤 (3) 所述的低沸点、不溶于水的有机溶剂为二氯甲烷。

进一步地，步骤 (3) 所述乳化是高速剪切机在6000 ~ 10000 r/min下剪切搅拌0.5 ~ 3 min。

进一步地，步骤 (3) 所述水相与油相的体积比为1:1 ~ 1:3。

进一步地，步骤 (4) 所述催化剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺，催化剂的用量为单体质量的1 %～2 %。