一种磁性温敏双层水凝胶及其制备方法与应用
本发明属于新材料，涉及一种水凝胶的制备，具体涉及一种磁性温敏双层水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术：
1、在智能材料与软体机器人的快速发展背景下，水凝胶驱动器作为一类能够响应外部刺激并转化为机械运动的装置受到广泛关注。这些驱动器凭借其独特的环境响应性，如对温度、ph值及特定化学物质的敏感性，在药物递送、生物医学工程、微纳机器人技术及软性电子设备等领域展现出巨大应用潜力。
2、尽管单层水凝胶驱动器在响应性方面取得了一定进展，但其力学性能的局限性，特别是脆弱性与较短的使用寿命限制了实际应用。此外，随着应用需求的多样化，单一刺激响应及简单形变已难以满足复杂环境与任务的挑战，迫切需要开发出具备更高强度、更复杂运动模式及多功能集成的新一代水凝胶驱动器。
3、双层水凝胶驱动器通过构建由两层不同吸水溶胀特性的水凝胶组成的复合体系，比起单层的水凝胶驱动器更坚韧，使用寿命更强。当受到外界的刺激时，一层水凝胶发生体积变化，而另一层水凝胶不发生变化，这种差异化使得双层水凝胶能发生弯曲，利用各层间的不对称响应设计，可以实现更为精准和复杂的运动控制。特别的，将磁性纳米粒子分散到水凝胶网络中制备的磁性水凝胶，能通过外部磁场精确控制其形变，实现远程驱动和操作。但是，目前通过先制备磁性纳米颗粒再引入水凝胶中的方法，制备流程复杂，限制了进一步应用，且水凝胶整理力学性能不能满足长期多次应用需求。因此，需要进一步优化磁性粒子的含量、尺寸以及水凝胶的化学组成，提高水凝胶的力学性能及对于温度梯度的敏感性和响应速度，使得驱动器能更快速、精准地执行复杂动作，如抓取、行走和释放等。
技术实现思路
1、本发明的目的为克服传统柔性抓手制造成本高、力学性能不佳、响应单一的问题，提供一种磁性温敏双层水凝胶的制备方法，实现双层水凝胶良好的保湿性能和优良的力学性能，并且制备简单，成本低廉，作为智能材料具有广阔的市场应用前景。
2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
3、一种磁性温敏双层水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
4、(1)非温敏水凝胶层的制备
5、以亲水单体、第一两性离子单体、第一引发剂、第一交联剂以及蒸馏水混合形成第一均相溶液，然后加入第一促进剂搅拌均匀后转移至模具中，聚合形成非温敏水凝胶层；
6、(2)温敏水凝胶层的制备
7、将锂皂石、温敏单体、第二两性离子单体、第二引发剂、第二交联剂以及蒸馏水混合形成第二均相溶液，然后加入第二促进剂搅拌均匀后转移至模具中，加热反应聚合形成温敏水凝胶层；
8、(3)磁性温敏水凝胶层的制备
9、将氯化亚铁、三氯化铁和蒸馏水制成混合溶液，然后将步骤(2)制备的温敏水凝胶层浸入该混合溶液中，浸泡完成后采用氢氧化钠水溶液再次浸泡，取出后得到磁性温敏水凝胶层；
10、(4)磁性温敏双层水凝胶的制备
11、将步骤(1)得到的非温敏水凝胶层与步骤(3)得到的磁性温敏水凝胶层紧密贴合，即得。
12、具体地，步骤(1)中，所述的亲水单体为丙烯酸(aa)或丙烯酰胺(am)；
13、所述的第一两性离子单体为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(sbma)、3-[[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸盐、丙烯酰胺乙基-n,n′-二甲基-n-丙磺酸胺盐、n,n′-二甲基-n-丙磺酸胺盐中的任意一种；优选[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(sbma)；
14、所述的第一引发剂为水溶性自由基引发剂，选自过硫酸钾(kps)、过硫酸铵(aps)、偶氮二异丁基脒盐酸盐中的任意一种；
15、所述的第一交联剂选自n,n-亚甲基双丙烯酰胺(mba)、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸二缩乙二醇酯、二丙烯酸三缩乙二醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯中的任意一种；
16、所述的第一促进剂为四甲基乙二胺。
17、具体地，步骤(1)中，所述的第一两性离子单体的用量占亲水单体质量的5～50％，优选20～30％；
18、所述的第一交联剂的用量占亲水单体质量的0.05～3％，优选0.2～1.0％；
19、所述的第一引发剂的用量占亲水单体质量的0.1～5％，优选0.5～1.5％；
20、所述的第一促进剂的用量占亲水单体质量的0.05～3％，优选0.1～1.0％；
21、所述的第一均相溶液中固体含量为5～80％，优选20～50％；
22、所述聚合反应的温度控制在30～100℃，聚合反应时间为10min～2h。
23、具体地，步骤(2)中，所述的温敏性单体为n-异丙基丙烯酰胺、n,n’-二乙基-2-丙烯酰胺、n-正丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸聚乙二醇酯中的任意一种；
24、所述的第二两性离子单体为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(sbma)、3-[[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸盐、丙烯酰胺乙基-n,n′-二甲基-n-丙磺酸胺盐、n,n′-二甲基-n-丙磺酸胺盐中的任意一种；优选[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(sbma)；
25、所述的第二引发剂为水溶性自由基引发剂，如过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁基脒盐酸盐中的任意一种；
26、所述的第二交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸二缩乙二醇酯、二丙烯酸三缩乙二醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯中的任意一种；
27、所述的第二促进剂为四甲基乙二胺。
28、具体地，步骤(2)中，所述的锂皂石占温敏单体质量的5～30％，优选10～20％；
29、第二两性离子单体的用量占温敏单体质量的10～30％，优选15～25％；
30、所述的第二交联剂的用量占温敏单体质量的0.05～2％，优选0.15～0.5％；
31、所述的第二引发剂的用量占温敏单体质量的0.1～5％，优选0.5～2.0％；
32、所述的第二促进剂的用量占温敏单体质量的0.05～3％，优选0.1～1.0％；
33、所述的第二均相溶液中固体含量为10～60％，优选20～50％；
34、所述聚合反应的温度控制在30～100℃，聚合反应时间为10min～2h。
35、具体地，步骤(3)中，所述混合溶液中，氯化亚铁的质量浓度为2～20％，优选4～5％；三氯化铁的质量浓度为2～20％，优选8～10％；所述氯化亚铁和三氯化铁的摩尔比为1：1.5～1：2.5；
36、所述氢氧化钠水溶液中氢氧化钠摩尔浓度为1-3mol/l，优选1mol/l。
37、具体地，步骤(3)中，温敏水凝胶层浸入混合溶液中的时间为0.5～8h，，优选1～2h；浸入氢氧化钠水溶液的时间为10～120min，优选20～60min。
38、具体地，步骤(4)中，非温敏水凝胶层与磁性温敏水凝胶层直接叠加，并施加一定的压力压合1～6h，通过两层水凝胶自然存在的氢键、离子等相互作用进行紧密贴合。
39、进一步地，上述制备方法所制备得到的磁性温敏双层水凝胶也在本发明的保护范围之内。
40、更进一步地，本发明还要求保护上述磁性温敏双层水凝胶在用于制备机器人抓手中的应用。
41、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
42、(1)本发明所制备的双层磁性水凝胶抓手制备方法简洁、高效且环保，对设备无特殊要求，对环境友好，易于产业化。
43、(2)本发明通过温敏性水凝胶层中两性离子与锂皂石的有效相互作用，增强了物理交联效果，显著提高了水凝胶的整体力学性能和耐用性，确保了磁性双层结构在复杂运动控制中的稳定性和持久性。
44、(3)本发明利用两性离子单体，建立了两层水凝胶间基于氢键、离子等相互作用的高强度自然粘附机制，避免了额外黏合剂的使用，这不仅增强了结构的完整性，还保持了材料的柔软性和灵活性，为构建高性能复合水凝胶系统提供了新思路。
45、(4)本发明的双层水凝胶抓手具有高度的温敏性，并具有磁响应能力，实现了对外界磁场的即时响应，为远程操控与智能抓取任务提供了可能。
46、(5)本发明的磁性双层水凝胶所表现的良好的综合性能使其在智能材料尤其是柔性机器人方面有很大应用前景。
技术特征：
1.一种磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的亲水单体为丙烯酸)或丙烯酰胺；
3.根据权利要求1或2所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的第一两性离子单体的用量占亲水单体质量的5～50％；
4.根据权利要求1所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的温敏性单体为n-异丙基丙烯酰胺、n,n’-二乙基-2-丙烯酰胺、n-正丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸聚乙二醇酯中的任意一种；
5.根据权利要求1或4所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的锂皂石占温敏单体的质量的5～30％；
6.根据权利要求1所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述混合溶液中，氯化亚铁的质量浓度为2～20％，三氯化铁的质量浓度为2～20％，所述氯化亚铁和三氯化铁的摩尔比为1：1.5～1：2.5；
7.根据权利要求1所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，温敏水凝胶层浸入混合溶液中的时间为0.5～8h，浸入氢氧化钠水溶液的时间为10～120min。
8.根据权利要求1所述的磁性温敏双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，将非温敏水凝胶层与磁性温敏水凝胶层直接叠加，然后施加压力压合1～6h，实现二者紧密贴合。
9.权利要求1～8中任意一项所述的制备方法所制备得到的磁性温敏双层水凝胶。
10.权利要求9所述的磁性温敏双层水凝胶在用于制备机器人抓手中的应用。
技术总结
本发明公开了一种磁性温敏双层水凝胶及其制备方法与应用，包括非温敏水凝胶层的制备、温敏水凝胶层的制备、磁性温敏水凝胶层的制备以及双层复合水凝胶的制备步骤。本发明所制备的双层磁性水凝胶抓手制备方法简单、高效，对设备无特殊要求，对环境友好，易于产业化。通过温敏性水凝胶层中两性离子与锂皂石的有效相互作用，增强了物理交联效果，显著提高了水凝胶的整体力学性能和耐用性，确保了磁性双层结构在复杂运动控制中的稳定性和持久性。
技术研发人员：王昭,刘一明,宋文利,周瑶,付海罗,刘树洋,张真真
受保护的技术使用者：金陵科技学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23