[發明專利]一種超拉伸磁響應自修復水凝膠及其制備方法、應用

有效

• 申請號: 202110411457.1
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113480745B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 侯昭升;滕金偉;劉常琳;徐鈞;畢晶晶
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08L75/08;C08K9/04;C08K3/22;C08G18/84;C08G18/66;C08G18/48;C08G18/32;C08G18/12
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭平

本發明屬于高分子材料領域，公開了一種超拉伸磁響應自修復水凝膠及其制備方法、應用，首先合成側鏈含有吡啶基的醛基封端的聚氨酯，在鐵離子存在下通過氨基改性磁性納米粒子交聯，經處理后得到超拉伸磁響應自修復水凝膠。該水凝膠內部含有雙交聯網絡結構，由于金屬配位鍵的存在，在受力時能夠有效分散聚合物的能量使共價交聯網絡免受破壞，同時，韌性較高的第二網絡可在形變時保證水凝膠的完整性。此外，磁性納米粒子通過亞胺鍵形成凝膠網絡，復合結構穩定，解決了一般物理共混中易脫落的難題，同時亞胺鍵賦予了材料自修復性能。

技術領域

本發明屬于高分子材料領域，具體涉及到一種超拉伸、磁響應自修復聚氨酯水凝膠及其制備方法。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

剛性機器人己經廣泛應用于工業、醫療以及軍事等領域，但由于其結構固定，在特殊環境中無法精準控制，實現預期工作，因此環境適應能力較差，而軟體機器人作為新一代機器人正逐漸成為機器人發展的主力軍，其使用與地位正逐步代替傳統剛性機器人。相比而言，軟體機器人在操作中擁有更多的驅動模式種類和自由度，運動更加靈活，具有更好的環境適應性和安全性。

水凝膠是一類具有三維網狀結構，并在保持其結構的同時保留大量水分,同時在一定條件下又可以脫水退溶脹的功能高分子材料，其中能夠對外界環境刺激做出響應的水凝膠又被稱為智能水凝膠。作為新時代軟體機器人制作的候選材料，智能水凝膠因具有高含水量，柔軟性，響應性等性能而有著與生俱來的優勢。磁性水凝膠作為一類智能型水凝膠，能夠根據外界磁場變化誘導自身發生形變，當水凝膠置于磁場中時，磁性粒子會由于彼此的吸引力而聚集，造成水凝膠孔徑減少，發生體積變化，反之，當磁場關閉時，水凝膠又會恢復到原來的狀態。磁性水凝膠在磁場下可發生拉伸、收縮和卷曲變形，利用其多樣性的變形模式和磁場的無害性并可進行遙控控制的特點，磁驅動受到智能柔性材料的驅動控制的青睞，如Ramanujan等利用不同Fe₃O₄含量的復合凝膠具有不同的磁場閾值的特點,制備出了一種能夠模仿人手指彎曲的PVA/Fe₃O₄磁性水凝膠。

磁性水凝膠的制備主要集中于以下策略：一是在凝膠網絡中原位生成磁性粒子，這種制備磁性水凝膠的方法，可以保證引入較多量的磁性組分，且其在凝膠網絡中的分散較均，這是其優點；缺點是其過程稍顯復雜，周期較長，生產效率低，而且聚合物網絡結構常常會受到一定的破壞導致力學性能較差；二是將現成的磁性粒子引入凝膠網絡中，這種工藝比較簡單，易于操作，制備速度快。但是無法保證磁性納米粒子在體系中不團聚并分散均勻；三是磁性粒子直接參與凝膠形成過程，這種技術，磁性粒子直接參與了水凝膠的形成過程，傳統的化學交聯劑,結構成分不復雜。而且磁性粒子和凝膠網絡之間有化學鍵作用，磁性粒子在網絡中有確切的定位，其復合結構應該會非常穩定。

發明人發現，此前絕大多數磁性水凝膠力學性能極差，受力時容易破碎斷裂，無法回復為原來形狀，限制了其在軟體材料上的實際應用。此外，凝膠材料在受到損傷時產生難以察覺的小裂痕和縫隙，若無法及時修復，將嚴重降低了材料的使用壽命，增加了軟體機器人的維修成本。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種超拉伸、能夠自我修復的磁響應水凝膠及其制備方法。聚氨酯作為水凝膠基體能夠提供良好的韌性和抗撕裂性能。首先合成側鏈含有吡啶基的醛基封端的聚氨酯，在鐵離子存在下通過氨基改性磁性納米粒子交聯，經處理后得到超拉伸磁響應自修復水凝膠。該水凝膠內部含有雙交聯網絡結構，由于金屬配位鍵的存在，在受力時能夠有效分散聚合物的能量使共價交聯網絡免受破壞，同時，韌性較高的第二網絡可在形變時保證水凝膠的完整性。此外，磁性納米粒子通過亞胺鍵形成凝膠網絡，復合結構穩定，解決了一般物理共混中易脫落的難題，同時亞胺鍵賦予了材料自修復性能。

為實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案：