一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能高分子材料領(lǐng)域，具體涉及一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]開發(fā)新型自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)并探索其在實(shí)際生產(chǎn)中的多種應(yīng)用是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微型馬達(dá)大多數(shù)是通過(guò)催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生氧氣，利用氧氣泡推動(dòng)自身前行，從而得到可在含有過(guò)氧化氫的溶液中游動(dòng)的微型裝置。不同推進(jìn)機(jī)理的微型馬達(dá)已經(jīng)在藥物和蛋白的運(yùn)輸、去油、生物解毒以及水處理等方面有了許多應(yīng)用的探索。然而，使其真正應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境時(shí)，這些微型馬達(dá)仍然有一些不可避免的缺點(diǎn)。首先，現(xiàn)有的微型馬達(dá)的制造多采用電化學(xué)沉積法，粒子束噴射法，這些制造方法相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備要求較高，高昂的制造成本對(duì)其在工業(yè)上的應(yīng)用(比如水處理)造成一定的限制。其次，由于現(xiàn)有的微馬達(dá)的尺寸較小，使得對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的修飾和改進(jìn)變得更加困難，因而對(duì)其功能化以及功能的集成化造成了制約。第三，納米馬達(dá)由于其尺寸的限制，在運(yùn)動(dòng)中想要克服布朗湍流的影響進(jìn)行牛頓運(yùn)動(dòng)也比較困難。第四，現(xiàn)有的微型馬達(dá)大多是基于對(duì)一些無(wú)機(jī)顆粒進(jìn)行修飾和改性得到的，屬于剛性馬達(dá)，剛性馬達(dá)不會(huì)在外力作用下產(chǎn)生屈服，不足以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化從而保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有微型馬達(dá)在實(shí)際應(yīng)用方面的缺點(diǎn)與不足，提供一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)。該馬達(dá)是通過(guò)對(duì)軟凝膠進(jìn)行功能化以及功能集成化，得到的一種具有良好驅(qū)動(dòng)能力、可實(shí)現(xiàn)多種功能并且可重復(fù)使用的軟馬達(dá);該微型馬達(dá)的制備無(wú)需借助一些高能耗的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只需要采用簡(jiǎn)單的注射方式即可完成驅(qū)動(dòng)所需催化劑的負(fù)載過(guò)程。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供上述一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備要求較低，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
[0005]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0006]—種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)，該軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)采用了親水性的軟凝膠作為馬達(dá)制造的基體材料;在馬達(dá)自驅(qū)動(dòng)所需催化劑的負(fù)載過(guò)程中，利用了水凝膠自身的親水性，采用簡(jiǎn)單的注射方法來(lái)完成催化劑的負(fù)載;利用了高錳酸鉀和過(guò)氧化氫之間的化學(xué)反應(yīng)作為微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源。
[0007]上述的一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)的制備方法，包括以下步驟:
(I)取一定量的水凝膠的單體，將其分散在水中，得單體溶液;通氮?dú)獬鹾螅尤虢宦?lián)劑、引發(fā)劑以及催化劑，超聲振蕩均勻。然后將所得溶液置于馬達(dá)形狀所對(duì)應(yīng)的模具中并密封，置于室溫下反應(yīng)10?20小時(shí)，即得符合馬達(dá)形狀需求的水凝膠。
[0008](2)將該水凝膠表面進(jìn)行均勻的高真空硅脂涂覆處理，留下催化劑負(fù)載面不做處理。
[0009](3)將步驟(2)處理過(guò)的水凝膠平置，使水凝膠未涂覆高真空硅脂的一面向上。把一定量的催化劑水溶液，注射到水凝膠的上表面，將其置于暗室10?20 min，待催化劑溶液被水凝膠完全吸收，即得到軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)。
[0010]上述的基于軟凝膠的微型馬達(dá)的自驅(qū)動(dòng)過(guò)程，是將其放入過(guò)氧化氫溶液中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0011]進(jìn)一步地，步驟(I)所述的水凝膠的單體是指一類水溶性的單體，其通過(guò)原位聚合法可得到水凝膠。水凝膠的單體具體為丙烯酰胺、丙烯酸、異丙基丙烯酰胺等中的一種或者幾種。單體溶液的固含量一般為8 wt%?25 wt%，優(yōu)選為15 wt%?25 wt%。
[0012]進(jìn)一步地，步驟(I)所述交聯(lián)劑可為物理交聯(lián)劑或者化學(xué)交聯(lián)劑，優(yōu)選為化學(xué)交聯(lián)劑N，N_亞甲基雙丙烯酰胺，化學(xué)交聯(lián)劑中N，N_亞甲基雙丙烯酰胺相對(duì)于單體的質(zhì)量為0.025 wt%?0.125 界七％，優(yōu)選為0.025 wt%?0.05 wt%。
[0013]進(jìn)一步地，步驟(I)所述的引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨或者過(guò)硫酸鉀，催化劑為四甲基乙二胺。引發(fā)劑相對(duì)于單體的質(zhì)量為0.25 wt%?0.5 wt%，催化劑相對(duì)于單體的質(zhì)量為I wt%
?2 wt%0
[0014]進(jìn)一步地，步驟(I)所述的模具形狀可以根據(jù)馬達(dá)的設(shè)計(jì)需求來(lái)決定，優(yōu)選為柱狀，所得到的微型馬達(dá)最大長(zhǎng)度的范圍為I?20 mm，優(yōu)選為3?10 mm。
[0015]進(jìn)一步地，步驟(3)所述的催化劑是指一些水溶性的、可與過(guò)氧化氫反應(yīng)產(chǎn)生氣體的物質(zhì)，優(yōu)選為高錳酸鉀。高錳酸鉀溶液的濃度為4.3?6.3 g/mLo
[0016]進(jìn)一步地，步驟(3)所述的注射方式優(yōu)選采用移液槍準(zhǔn)確移取一定量的催化劑溶液。催化劑溶液的移取量與其作用面積相對(duì)應(yīng)，也會(huì)影響最終的馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度，催化劑溶液的移取量相對(duì)于作用面積的優(yōu)選范圍為0.8?2 yL/mm20
[0017]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)效果:
I)本發(fā)明采用了一種簡(jiǎn)便并且低能耗的方式完成了微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所需的催化劑負(fù)載過(guò)程。相對(duì)于那些采用粒子束噴射等高能耗且復(fù)雜的馬達(dá)催化劑負(fù)載方式而言，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)化應(yīng)用前景。
[0018]2)本發(fā)明采用高錳酸鉀和過(guò)氧化氫反應(yīng)作為驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源，此反應(yīng)較為劇烈，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氧氣，相應(yīng)的產(chǎn)生了較大的驅(qū)動(dòng)力，因而這種微型馬達(dá)具有較高的運(yùn)動(dòng)速度，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的同等體積的微型馬達(dá)。例如:直徑3 mm，長(zhǎng)度3 _的柱狀微型馬達(dá)，在負(fù)載了6 yL的高錳酸鉀溶液(6.3 g/mL)時(shí)，在10%的過(guò)氧化氫溶液中得到的自驅(qū)動(dòng)速度達(dá)到3.84 mm/so
[0019]3)本發(fā)明所得到的微型馬達(dá)的尺寸遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的微納馬達(dá)，從而能夠更加方便地對(duì)這種微型馬達(dá)進(jìn)行修飾和改進(jìn)，有利于微型馬達(dá)的功能化和功能集成化。
[0020]4)本發(fā)明是基于軟凝膠的微型馬達(dá)，水凝膠可以吸收自身體積十倍以上的水分，故這種微型馬達(dá)具有良好的可重用性，可以簡(jiǎn)單地、反復(fù)地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)所需的催化劑的補(bǔ)充負(fù)載。
[0021]5)本發(fā)明首次采用了一種低能耗的方式來(lái)制造微型軟馬達(dá)，這為將來(lái)智能軟機(jī)器人的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為實(shí)施例1中的微型馬達(dá)在質(zhì)量濃度為10%的過(guò)氧化氫溶液中的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0025]實(shí)施例1
一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)的制備方法，包括以下步驟:
(I)取I g丙烯酰胺單體，將其分散在4 mL水中，通氮?dú)獬鹾?，加入I mL的0.25 mg/mL的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺水溶液，加入3 mg過(guò)硫酸鉀引發(fā)劑以及20 yL N，N，N’，N’_四甲基乙二胺催化劑，超聲振蕩均勻。然后將所得溶液置于內(nèi)徑為3 mm，長(zhǎng)度為150 mm的試管中并密封，置于室溫下反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)完畢后取出試管內(nèi)的水凝膠，截取長(zhǎng)度為3 mm的一段水凝膠(長(zhǎng)徑比為I)，作為軟馬達(dá)制造的原材料。
[0026](2)將步驟(I)得到的水凝膠表面進(jìn)行均勻的高真空硅脂涂覆處理，留下一個(gè)圓形底面不做處理，該面作為催化劑負(fù)載面。
[0027](3)將步驟(2)處理過(guò)的水凝膠平置，使未涂覆高真空硅脂的圓面向上。用移液槍將6此的高錳酸鉀溶液(6.3 g/mL)注射到水凝膠的這個(gè)圓形表面，將其置于暗室15min，待高錳酸鉀溶液被水凝膠完全吸收，即得到軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)。該微型馬達(dá)可在質(zhì)量濃度為1 %的過(guò)氧化氫溶液中實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，速度達(dá)到3.84 mm/s，如圖2所示。
[0028]實(shí)施例2
一種軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)的制備方法，包括以下步驟:
(I)取丙烯酰胺、丙烯酸單體各0.5 g，將其分散在4 mL水中，通氮?dú)獬鹾?，加入I mL的0.25 mg/mL的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺水溶液，加入3 mg過(guò)硫酸鉀引發(fā)劑以及20 yL N,N,N’，N’_四甲基乙二胺催化劑，超聲振蕩均勻。然后將所得溶液置于內(nèi)徑為3 mm，長(zhǎng)度為150mm的試管中并密封，置于室溫下反應(yīng)12小時(shí)，反應(yīng)完畢后取出試管內(nèi)的水凝膠，截取長(zhǎng)度為3 mm的一段水凝膠(長(zhǎng)徑比為I)，作為軟馬達(dá)制造的原材料。
[0029](2)將步驟(I)得到的水凝膠表面進(jìn)行均勻的高真空硅脂涂覆處理，留下一個(gè)圓形底面不做處理，該面作為催化劑負(fù)載面。
[0030](3)將步驟(2)得到的處理過(guò)的水凝膠平置，使未涂覆高真空硅脂的圓面向上。用移液槍將6此的高錳酸鉀溶液(4.3 g/mL)，注射到水凝膠的這個(gè)圓形表面，將其置于暗室15 min，待高錳酸鉀溶液被水凝膠完全吸收，即得到軟凝膠自驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)。該微型馬達(dá)可在質(zhì)