[发明专利]一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶、其制备方法和应用

说明书

本发明涉及超分子化学技术领域，公开了一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶的制备方法，(1)将N‑异丙基丙烯酰胺、环糊精单体、氧化石墨烯水分散液反应得到水凝胶层1；(2)将N‑异丙基丙烯酰胺、环糊精单体、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵反应得到水凝胶层2的预聚液；(3)再将预聚液注入模具得到双层水凝胶，浸泡于四水合钼酸铵溶液中，最终得到所述双层超分子水凝胶。该水凝胶利用环糊精与N‑异丙基丙烯酰胺异丙基之间的主客体相互作用实现物理交联，也通过主客体相互作用实现双层水凝胶间的紧密连接，双层粘结强度高，具有良好的自修复性能、多重光响应变形变色性能以及可注射性能。

技术领域

本发明属于超分子化学技术领域，具体涉及一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶、其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是指一类由物理或化学交联而形成的高分子，是可以吸收大量水并能保持其三维结构的软物质。刺激响应性水凝胶作为水凝胶领域重要的分支，其可对外界刺激(如温度、pH、电场、磁场等)做出灵敏响应，发生形态(溶胶-凝胶)、体积(收缩-膨胀)、形状(形状记忆)和颜色等的可逆性变化，作为智能响应性材料得到广泛应用。光作为一种可以方便调节强度、波长和非接触式的刺激方式能够实现远程非接触式控制，光致变色行为的研究也处于成熟阶段，因此光响应性水凝胶具有极大的研究和应用价值。

超分子水凝胶是基于非共价相互作用和自组装形成的凝胶体系，超分子化学最初的发展是源自于主客体体系，主客体的相互作用本身就是各种非共价相互作用的组合与协同。自修复水凝胶绝大部分是基于动态化学，包括动态共价化学和动态非共价化学。当动态键引入到水凝胶网络后，由于其能发生断裂-恢复这一可逆的反应，使水凝胶遭到破坏时能够自修复到原来的形状及性能，通过主客体相互作用实现自修复是一类热门的技术方案。

水凝胶实现复杂的形变，如弯曲、扭转以及更复杂的折叠等，一般是在不同方向发生不同量级的各向异性溶胀或收缩所致，双层水凝胶是实现水凝胶各向异性形变的重要方式，Ma等人设计了一种双层水凝胶，能实现荧光响应协同各向异性可逆形变(Ma等，Adv.Funct.Mater.2018,1704568)。但是上述双层水凝胶需要额外设计一种“高分子胶”增加双层连接强度，增加了合成的难度及繁琐程度。

CN108395548 A公开了一种具有盐-温度双重响应的双层水凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：将N-异丙基丙烯酰胺、两性离子单体、交联剂、光引发剂、自由基引发剂和催化剂加入水中，搅拌溶解得到反应液；将反应液在惰性气体保护、紫外光照射下聚合反应、交联1～5小时，得到聚N-异丙基丙烯酰胺和两性离子聚合物双层水凝胶。利用两种功能性单体在极性和聚合速率上的较大差异，“一步法”制备了具有盐-温度双重响应的双层水凝胶，该双层水凝胶在水/盐溶液、低温/高温环境中均可实现快速、大幅度可自发周期性形变，可用于制成盐-温度双重响应的软体机器人或传感元件。但是该水凝胶需要通过盐溶液作为介质来实现形变，并且需要控制盐溶液浓度，增加了操作的复杂性。而且该水凝胶单一的可逆形变功能也使其应用受到很大的限制。

目前研究中的光响应水凝胶体系多为单一光响应，且可逆变色协同各向异性可逆形变的研究较少，大多体系都不具有自修复能力，远不能满足社会的需求。由上所示，自修复多重光响应超分子水凝胶的合成仍具有很大的挑战，设计一种简单可行、易于控制的方案制备自修复多重光响应变形变色双层超分子水凝胶仍具有非常重要的意义。

发明内容

本发明设计一种简单可行、易于控制的方法制备自修复多重光响应的双层超分子水凝胶，该水凝胶可实现对光的变色变形响应，双层粘结强度高，具有良好的自修复性能，且制备方生产成本低，无二次污染。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、环糊精单体溶于水中，加入氧化石墨烯水分散液，再加入引发剂、催化剂得到混合溶液，将混合溶液注入模具中反应得到水凝胶层1；