[发明专利]一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法

说明书

本发明公开了一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。本发明以人造水辉石为交联剂，并引入氧化石墨烯，通过丙烯酰胺类单体聚合，制备得到物理交联的水凝胶，然后经过拉伸及烘干，并将部分凝胶二次吸水处理，得到水凝胶致动器；该水凝胶致动器可通过近红外光照射控制实现扭转和提拉的动作，从而实现非接触式控制下致动器跨越障碍运送物体的过程。

技术领域

本发明涉及功能性纳米复合材料的智能致动器材料领域，具体涉及一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。

背景技术

水凝胶由于含有大量的水，并且具有完善的三维网络结构赋予其软物质的特性，具有弱刺激-强响应、少添加-大效果、致动条件温和等优点；而软物质致动器特别是水凝胶致动器在智能器件领域的发展日益受到关注。有机/无机杂化水凝胶是包含不相容的无机和有机成分，可以形成纳米尺寸复杂结构的功能材料，使水凝胶在力学强度、响应性等功能方面有了明显提高，其对新型致动器材料的开发和设计具有重要的启发和指导意义，将杂化水凝胶应用于智能致动器的设计与开发，是今后智能柔性材料的研究热点之一。

在凝胶致动器的研究中，形状记忆凝胶致动器可以从临时形状回复到原始形状，为目前研究颇为广泛的一种水凝胶致动器，但是现在的水凝胶致动器一般实现的仅为简单的提升、抓取等动作，并不能实现跨越障碍输送物体等复杂过程。

我们通过引入具有高效快速的光-热转化能力的氧化石墨烯组分，结合温度响应性杂化水凝胶的刺激-响应性、高力学强度及大幅度的形变的承受力，将杂化水凝胶的温度响应性转化为近红外光响应性，从而可以实现对水凝胶刺激的远程非接触式控制，并通过控制水凝胶的含水量实现了干湿凝胶共存以同时实现提拉与跨越障碍的组合运动方式，制备了基于形状记忆水凝胶的近红外光致动的杂化水凝胶致动器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。

本发明的近红外光致动的杂化水凝胶致动器是以人造水辉石为交联剂，并引入氧化石墨烯，通过丙烯酰胺类单体聚合，制备得到物理交联的水凝胶，然后经过拉伸及烘干，并将部分凝胶二次吸水处理，得到水凝胶致动器；借助该水凝胶致动器的干湿凝胶共存特性，可通过近红外光照射控制实现扭转和提拉等动作，从而实现非接触式控制下致动器跨越障碍运送物体的过程。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备杂化水凝胶：将氧化石墨烯、人造水辉石、丙烯酰胺类单体在煮沸并冷却后的去离子水中搅拌均匀得到分散液，通入惰性气体以除去分散液中的氧气，然后加入引发剂和促进剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，最后将反应液加入到模具中并密封，通过聚合反应得到杂化水凝胶；

（2）制备杂化水凝胶致动器：将步骤（1）制备的杂化水凝胶裁剪为长条状，将长条状水凝胶拉伸后固定并烘干，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀，将另一部分进行弯折固定，即得到杂化水凝胶致动器。

进一步地，步骤（1）所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺。

进一步地，步骤（1）所述惰性气体包括氮气和氩气，丙烯酰胺类单体相对于去离子水的浓度为0.5 ~ 3 mol/L，人造水辉石相对于去离子水的质量分数为2% ~ 5%，氧化石墨烯相对于去离子水的浓度为1 ~ 4 mg/mL。

进一步地，步骤（1）所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，促进剂为四甲基乙二胺，引发剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.3% ~ 0.6%，促进剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.5% ~ 1%，聚合反应在20 ℃进行10 ~ 48小时。