| 表面催化聚合构筑结构化的软物质摩擦驱动器件研究 | |
| 林惠娟 | |
| Thesis Advisor | 刘维民 ; 周峰 |
| 2020-06-01 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 水凝胶 驱动器 热响应 结构化 摩擦 Hydrogel Actuator Thermoresponsive Structural Friction |
| Abstract | 本论文综述了水凝胶驱动器的研究进展，详细地介绍了各种水凝胶驱动器的制备方法，讨论了水凝胶驱动器在软体机器人、智能捕获器、微流控开关等方面的潜在应用。针对水凝胶驱动器存在机械强度不高、驱动速率较慢、只能实现简单维度运动、无法实现多维度运动等问题，提出了制备新型结构化水凝胶驱动器的策略。首先基于铁表面催化引发自由基聚合的方法，制备了层状水凝胶驱动器，探究其图案化的驱动行为。其次，从铁粉掺杂的弹性体表面同时原位聚合、共价交联一层热响应性水凝胶制备了水凝胶/弹性体复合驱动器，探究了其结构化的驱动行为。最后制备出结构化的管状水凝胶驱动器，基于流体驱动机制，实现驱动行为与摩擦性能调控相匹配。 主要研究内容和结论如下： 1. 层状水凝胶驱动器研究。针对传统层状水凝胶驱动器图案化可控性差、制备过程复杂耗时等问题。本论文利用表面催化引发自由基聚合的方法，以Fe3+与羧基配位增强的高强度水凝胶为基底，通过浸泡柠檬酸以及紫外光辐照的方式，将其中的Fe3+原位还原为Fe2+, Fe2+可以与S2O82-发生氧化还原反应，在链引发阶段降低其均裂产生自由基SO4•−的分解活化能，以 Fe2+作为催化剂加快水凝胶基底表面热响应水凝胶的聚合速度，制备了新型的层状水凝胶驱动器。通过灵活调控水凝胶基底的曝光位点，将曝光区域的Fe3+还原为Fe2+,简化了图案化的层状水凝胶驱动器的制备工艺。两种水凝胶层之间存在聚合物网络互穿，界面牢固结合在一起。由于热响应水凝胶层的存在，层状水凝胶驱动器在高、低温水浴中可以实现多样化的、可逆的3D驱动行为，并且伴随着摩擦性能的可逆调控。此外，将具有红外光热响应性的Fe3O4纳米粒子掺杂在热响应水凝胶层中，还可以制备多刺激响应的驱动器件，为设计智能仿生摩擦驱动器件提供了新思路。 2. 水凝胶/弹性体复合驱动器研究。层状水凝胶驱动器在实现快速的弯曲、形变恢复行为以及多维度复杂变形等方面存在一些挑战，极大地限制了水凝胶驱动器的发展。本研究采用表面催化引发自由基聚合的方法，从铁粉掺杂的聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面同时原位聚合、牢固结合一层超薄的聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸）水凝胶，制备了热响应水凝胶/弹性体复合驱动器。掺杂的铁粉在氧化、分解过程中提供了Fe2+催化剂，加速了水凝胶的聚合过程。水凝胶层与PDMS层之间有强的界面结合力，大小为142 N m-1。随着水浴温度的改变，复合驱动器展示了快速的、可逆的、多样化的响应弯曲/形变恢复行为。例如，复合驱动器在50 ℃的水浴中，可以实现从0°到500°的快速弯曲变形；将水浴温度降为20 ℃，其可以实现快速的形变恢复，弯曲角从500°恢复到0°，整个过程时间不超过7 s。复合驱动器有快速的响应行为可以归因于微米级超薄的水凝胶层厚度。基于这些优势，复合驱动器在交替的温度场中作为软体机器人在棘齿结构的表面上可以实现方向性的爬行。此外，通过调控水凝胶层在结构化的PDMS片两面选择性生长，制备了新颖的结构不对称的复合驱动器，它可以实现双向的弯曲/形变恢复，用来输运物体。 3. 管状水凝胶驱动器研究。在自然界中，许多生物体的肌肉产生多样化的运动行为都伴随着流体的输运。受海肠流体诱导驱动行为的启发，本研究以高纯的铁丝为模板和催化剂、采用两步定点表面聚合的策略制备了均匀/非均匀热响应水凝胶管体系，包含均匀结构、两面结构以及多节结构等。非均匀热响应水凝胶管体系由响应水凝胶部分和非响应水凝胶部分构成，二者的界面牢固融合。例如， 以单根铁丝为聚合模板可以制备多种类型的热响应水凝胶管，包括图案化、螺纹、螺旋结构等;以多根铁丝为聚合模板可以制备多通道复杂结构的非均匀热响应水凝胶管体系。当水凝胶管浸没在高温水浴中或向通道内注射热流体时，水凝胶管的热响应部分发生收缩，使其模量提升7倍、产生界面应力差，导致非均匀热响应水凝胶管实现动态的驱动行为。基于灵活的结构化设计，制备的非均匀热响应水凝胶管可以实现弯曲、扭曲行为等。非均匀的管状水凝胶驱动器可以在水下或空气中捕获/释放物体，也可以将热刺激转化为输运能力，克服重力输运液体、气体等，还可以作为液体混合器、智能多通道微流控开关等。这种结构化的管状水凝胶驱动器为以后发展刺激响应智能软体机器人提供了新思路。 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27339 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 林惠娟. 表面催化聚合构筑结构化的软物质摩擦驱动器件研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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