[发明专利]一种温度和湿度响应驱动器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种温度和湿度响应驱动器及其制备方法。所述驱动器为双层电纺膜驱动器，由顺序电纺聚丙烯腈(PAN)纤维层和聚(N‑异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)纤维层组成。本发明将电法纺丝技术引入驱动器的制备中，选用温度惰性的聚丙烯腈(PAN)和温度敏感的聚(N‑异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)作为顺序电纺的聚合物，通过简单的制备工序即可高效制备具有良好温度和湿度响应性的驱动器，且制备得到的驱动器具有灵敏度高，温度和湿度响应速度快，性能稳定的技术效果。

技术领域

本发明涉及刺激响应变形材料技术领域，具体涉及一种温度和湿度响应驱动器及其制备方法。

背景技术

由于聚合物基的刺激响应性材料能够将化学或物理刺激转化为可观察到的变化，一直以来备受关注。其中水凝胶由于良好的生物相容性而成为研究的焦点，基于水凝胶的薄膜、组装体、微凝胶和纳米凝胶已被设计来响应各种刺激，广泛应用于组织工程、人造肌肉和致动器中。^[1-5]在刺激响应水凝胶致动器中，值得特别关注的是热响应性的致动器，因为温度是最适合与活体细胞一起工作的刺激源，细胞可承受4-37℃。^[6]对于水凝胶而言，因为差异化膨胀过程中溶胀与消溶胀过程极大的受限于溶液在凝胶网络中的扩散速率，导致水凝胶驱动器的致动速度一直较慢，所以制备具有快速响应的水凝胶制动器目前还存在很大的挑战。

自然界中，植物具有将周围环境的刺激转化成机械运动的能力。^[7-8]如因为阳光照射改变生长素分布，导致植物幼苗的向光性行为和牵牛花的湿度响应性开花和闭合。^[9-10]湿度是空气中无处不在的刺激源，如果能将湿度转化成其他形式的能量将具有重大意义，如开发响应于湿度做工的驱动器。^[11]通常，具有湿度响应的材料含有典型的亲水基团，如羟基、酰胺基、羧基或吡咯基，它们易与水分子相互作用，引起宏观变形。^[12]

因此，有必要制备一种可快速响应于温度和湿度的水凝胶驱动器。本发明团队经过长期实验研究，提供了一种温度和湿度响应驱动器，将电法纺丝技术引入水凝胶的制备中，选用温度惰性的聚丙烯腈(PAN)和温度敏感的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)作为顺序电纺的聚合物。由于电纺PAN/PNIPAM双层膜具有较本体凝胶更大的比表面积，增强了溶液与凝胶之间的交换速率，提升了水凝胶的响应速度；同时，PNIPAM分子链上富含亲水酰胺基团，湿度梯度下，由于水蒸气的各向异性吸附会导致薄膜两侧的膨胀差异，形成内应力引发电纺膜的湿度响应驱动，可作为响应于湿度的开关，赋予双层膜湿度响应的驱动性能，如此制备了一种可快速响应于温度的驱动器，并且可在湿度环境中作为开关使用，达到温度与湿度的双重响应性。

发明内容

本发明的目的是提供一种湿度和温度响应的驱动器。

本发明的另一目的是提供一种湿度和温度响应的驱动器的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的一种温度和湿度响应驱动器，所述驱动器为双层电纺膜驱动器，由顺序电纺聚丙烯腈纤维层和聚(N-异丙基丙烯酰胺)纤维层组成；

其中，聚丙烯腈纤维层是以聚丙烯腈作为原料，以N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂，通过搅拌、电纺制得；聚(N-异丙基丙烯酰胺)纤维层是以聚(N-异丙基丙烯酰胺)、2-乙基-4-甲基咪唑和八缩水甘油基多面体低聚倍半硅氧烷作为原料，以N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃作为溶剂，通过搅拌、电纺及固化制得。

本发明所述聚丙烯腈纤维层的直径为205-300nm；聚(N-异丙基丙烯酰胺)纤维层的直径为560-870nm。

本发明所述的温度和湿度响应驱动器的制备方法，包括如下步骤：