[發(fā)明專利]一種4D智能氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811164480.X
• 申請(qǐng)日: 2018-10-06
• 公開（公告）號(hào): CN109293979B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王文欣;王寧;杜立文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 海南大學(xué);王文欣
• 主分類號(hào): C08J9/28
• 分類號(hào): C08J9/28;C08L29/04;B33Y70/00;B33Y10/00
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本發(fā)明涉及一種4D智能氣凝膠及其制備方法；形狀記憶性能的調(diào)控；微觀結(jié)構(gòu)、密度和親水性的調(diào)控。首次利用一步交聯(lián)真空冷凍干燥法制備了4D智能氣凝膠，解決了現(xiàn)有智能氣凝膠制備工藝復(fù)雜和性能可控性差的技術(shù)問題。其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、可控性好、普適性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)材料改性和復(fù)合。4D氣凝膠的形狀記憶性能可控性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好、密度和親水性可控性好，力學(xué)性能好，可用于海洋開發(fā)、智能藥物、環(huán)保、多孔電極、智能吸附、智能人造酶、智能吸聲、新能源開發(fā)、智能防護(hù)、建筑材料、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、隔熱材料、阻燃材料、減震材料、增強(qiáng)骨架材料、儲(chǔ)能器件及航天航空等領(lǐng)域，為研究多功能材料提供了途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能材料制備及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種4D智能氣凝膠以及一步交聯(lián)真空冷凍干燥法。

背景技術(shù)

材料科學(xué)是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，其發(fā)展在一定程度上體現(xiàn)了國(guó)家的綜合實(shí)力。智能化是未來(lái)科技的發(fā)展趨勢(shì)，材料的智能化必將成為材料科學(xué)最為活躍的先進(jìn)發(fā)展方向之一。根據(jù)愛因斯坦的理論，在3D上加入時(shí)間的概念，從而時(shí)間與空間相結(jié)合成了4D空間。4D智能制造是直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，材料的大小和形狀等狀態(tài)可以隨時(shí)間變化，即在3D的基礎(chǔ)上添加了變形維度，將成為未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)，無(wú)論從當(dāng)前的科技價(jià)值、還是探索未來(lái)商業(yè)的方向來(lái)看，4D智能制造技術(shù)都比3D打印技術(shù)更具前瞻性和顛覆性，它不僅是一種生產(chǎn)工具的革命，能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，更是一種由生產(chǎn)資料改變而引發(fā)未來(lái)整個(gè)商業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)方式改變的技術(shù)，因而顛覆的將不只是制造技術(shù)，還可以徹底改變傳統(tǒng)打印工業(yè)甚至建筑行業(yè)。4D智能制造的關(guān)鍵是“智能材料”，智能材料是一種集傳感、控制和驅(qū)動(dòng)于一體，能夠主動(dòng)地“感知”溫度、化學(xué)作用、光、電、磁、應(yīng)變、應(yīng)力、負(fù)載和振動(dòng)等外界的信息，通過適時(shí)地調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和性能以自預(yù)警、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等方式對(duì)外界條件的變化作出適當(dāng)響應(yīng)的新型功能材料體系。目前的4D智能制造技術(shù)局限于單一的4D打印技術(shù)，其設(shè)備成本高，分辨率難以進(jìn)一步提高，并且存在對(duì)材料要求高，難以實(shí)現(xiàn)材料的改性和有效復(fù)合等問題。

氣凝膠是世界上密度極小的固體物質(zhì)形態(tài)之一，是具有高通透性的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，多應(yīng)用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、隔熱材料、阻燃材料、吸聲材料、增強(qiáng)骨架材料、環(huán)保材料、柔性導(dǎo)電材料、儲(chǔ)能器件和航空航天等領(lǐng)域。起初，研究者利用溶膠凝膠法、模板導(dǎo)向法、自組裝法、3D打印等方法制備氣凝膠，存在制備工藝復(fù)雜和性能可控性差的技術(shù)問題。形狀記憶效應(yīng)是指智能材料在外界激勵(lì)條件下能夠按照預(yù)設(shè)的方式，選擇和控制材料體系由臨時(shí)狀態(tài)回復(fù)到原始狀態(tài)。形狀記憶聚合物能夠在受到外部激勵(lì)作用時(shí)回復(fù)其原始狀態(tài)，它的這一特性奠定了其在智能材料領(lǐng)域的重要地位。借鑒4D智能制造的思路，4D智能氣凝膠是指能夠自主變形的材料，在特定條件下(如溫度、濕度、輻照等)，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備輔助，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)變形或自動(dòng)折疊為相應(yīng)的形狀，可以自動(dòng)適應(yīng)外部變化，其發(fā)展將成為發(fā)展未來(lái)國(guó)防、航空航天、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，以及海洋開發(fā)、環(huán)保、機(jī)械、通信、建筑、體育休閑等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的強(qiáng)大動(dòng)力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是利用一步交聯(lián)真空冷凍干燥法制備4D智能氣凝膠，所采用的一步交聯(lián)真空冷凍干燥技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低，4D智能氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)、密度和親水性可控，其形狀記憶性能可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，可適用于海洋開發(fā)、環(huán)保、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、建筑、體育休閑和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。本發(fā)明制備4D智能氣凝膠的方法，包括如下具體實(shí)施步驟

步驟一：稱取1.0g～15.0g聚乙烯醇，在室溫下加入到100.0ml的去離子水中攪拌，充分溶脹，隨后緩慢加熱到30.0℃～100.0℃后保持恒定溫度攪拌分散，充分溶解，直至溶液整體均勻、澄清、透明無(wú)顆粒，再自然冷卻到室溫得到聚乙烯醇溶液，待用；

步驟二：在室溫條件下，將上述步驟一中配置好待用的聚乙烯醇溶液的pH值調(diào)節(jié)至酸性，充分?jǐn)嚢瑁恢笤偌尤?.0ml～100.0ml戊二醛并繼續(xù)攪拌分散，得到聚乙烯醇基4D智能氣凝膠預(yù)聚液，待用；