[发明专利]一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用

说明书

本发明涉及一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用。该纤维束具有螺旋结构。制备方法包括：纺丝溶液制备，纳米纤维束制备，水凝胶纳米纤维束制备。该水凝胶纳米纤维束响应速度快，稳定性高，能更好地满足致动的需求。该方法简便易行，对制备致动材料具有重要的价值。

技术领域

本发明属于致动器材料及其制备和应用领域，特别涉及一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备方法和应用。

背景技术

柔性致动器与传统的机械设计不同，这是一类可受电、光和热等外场驱动的智能致动器，本身具有高自由度和多功能性，其组成是一类可高度变形的材料或复合物，在外界刺激下，能产生理想的形变并输出力。由于还可复合功能性材料，其在各种领域，例如人工肌肉、细胞支架、药物释放、传感、生物可降解材料等领域有着广泛的应用前景。为了产生理想的形变，大多数此类致动器是由低弹性模量的材料组成，或包含液体在其中。利用结构设计，高弹性模量材料也可用来制成柔性致动器，此类结构包括网状、泡沫、弹簧、片状、织线等，并可以集成在其他系统中。相对而言，非结构性的柔性致动器更能产生并保持大应变，具有更高的自由度和仿生度，能更好地复合其他功能性材料。

水凝胶是一种高分子网络体系，能够吸收大量的水分，由于水凝胶十分柔软，且大多采用无毒材料，具有很好的生物相容性。特殊材料制成的水凝胶还能对外界的刺激(例如光、热、PH等)作出响应，改变自身的粘度、形状等。利用能够改变形状的响应性水凝胶材料则可以制备致动器。水凝胶致动器根据制备方法的不同，可得到纤维状或薄膜状器件。薄膜状器件的致动行为主要为弯曲及沿薄膜面方向的拉伸收缩；纤维状器件的致动行为则包括螺旋/解螺旋及沿纤维轴向的拉伸收缩。例如参考文献(Azadeh Mirabedini et al,SoftRobotics,2017,4,421)，作者使用湿法纺丝技术制备了壳聚糖水凝胶纤维，该纤维通过加捻形成螺旋结构；由于壳聚糖具有一定亲水性，因此在水中时，该纤维能够吸水发生解螺旋行为；当从水中取出，该纤维由于脱水会恢复螺旋结构；但该方法得到的水凝胶纤维在水中对热没有响应，仅对湿度有响应，必须从水中取出或重新放入水中才能产生致动行为。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种热致动水凝胶纳米纤维束及其连续化制备和应用，以克服现有技术中水凝胶致动材料热致动性能不好的问题。

本发明的一种热致动水凝胶纳米纤维束，所述纤维束具有螺旋结构，由取向的聚氨酯PU/聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM复合纳米纤维构成。

所述PU和PNIPAM的质量比为10～15:15～20。

本发明的一种连续化制备热致动水凝胶纳米纤维束的方法，包括：

(1)将聚氨酯PU和聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM溶于溶剂中，得到纺丝溶液，其中以PU、PNIPAM和溶剂的总质量为基准，PU质量分数为10％～15％，PNIPAM质量分数为15％～20％；(2)对步骤(1)中纺丝溶液进行共轭静电纺丝，使用卷绕器形成螺旋结构，使用辊筒进行收集，得到纳米纤维束，紫外光交联处理，得到水凝胶纳米纤维束。

所述步骤(1)中溶剂为二甲基甲酰胺DMF。

所述步骤(1)中将聚氨酯PU和聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM溶于溶剂中的方法为：先将PU加入到溶剂中，并在50～70℃下搅拌12～24h；再加入PNIPAM，在20～30℃下搅拌6～12h，静置24～36h。

所述步骤(2)中共轭静电纺丝的工艺参数为：推进速度为0.5～1ml/h，纺丝针头内径为0.5～1mm，相对湿度为20％～40％，温度为40～60℃，正电压为15～20kV，负电压为-15～-20kV，两个喷头之间间距为30～40cm，卷绕器旋转速度为800～1000r/min，滚筒接收器转动速度为3～5r/min。

所述步骤(2)中紫外光交联处理的工艺参数为：紫外光波长为365nm，紫外光照射时间为6-12h，环境温度为20～30℃。