一种湿度响应的变刚度材料及其制备方法

本发明涉及一种湿度响应的变刚度材料及其制备方法，属于智能高分子材料领域。

背景技术：

1、变刚度材料是通过某种刺激使材料产生软硬变化的智能高分子材料，已广泛应用于软体机器人、智能粘合剂、生物医学微创设备和光电子器件。目前，主要通过光、电、磁、温度和压力刺激制备变刚度材料，刚度变化范围通常在10000倍以内(park,sungjune,etal."ultrastretchable elastic shape memory fibers with electricalconductivity."advanced science 6.21(2019):1901579；zheng,xiaoyang,et al."minimal-surface-based multiphase metamaterials with highly variablestiffness."materials&design 237(2024):112548.)。

2、与光、电、磁、温度和压力等刺激相比，湿度来自于空气，是一种环保无毒、低成本且不会耗尽的刺激源。然而，传统湿度响应材料在实现刚度变化时仍存在不足。比如，吸湿时大幅膨胀或溶解成液态；或在吸湿后虽然保持体积和固体状态不变，但刚度变化程度较小(10到100倍)，无法满足实际应用。因此，在保持体积和固体状态不变时，通过湿度实现具有大幅刚度变化的材料仍具有挑战性。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明要解决的技术问题是：通过湿度刺激，在材料保持体积和固体状态不变时，刚度变化程度不足。

3、[技术方案]

4、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种湿度响应的变刚度材料及其制备方法，本发明的湿度响应的pvam/pei变刚度材料具体是选用聚乙烯胺(pvam)为聚合物基体，聚乙烯胺由于每个重复单元上的侧链上都带有伯胺基，结构规整，伯胺基之间的分子内氢键使聚乙烯胺分子链有序折叠，形成结晶区，具有很好的刚性；将支化结构的聚乙烯亚胺(pei)与聚乙烯胺聚合物基体共混，聚乙烯亚胺与聚乙烯胺形成分子间氢键，可以使pvam/pei变刚度材料的结晶度和氢键缔合度同时增加，实现具有大幅刚度变化的材料。由于结晶和氢键的共同作用，使pvam/pei变刚度材料在干燥状态时具有很强的刚性(1560.85mpa)；在吸湿后，水分子破坏了原有的结晶和氢键，使材料的刚度变为0.022mpa，变化程度高达71000倍。

5、为了实现上述目的，本发明提供了一种湿度响应的pvam/pei变刚度材料，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺(pvam)6～9.5份，聚乙烯亚胺(pei)0.5～4份，水90份。

6、在本发明的一种实施方式中，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～2份，水90份。

7、本在本发明的一种实施方式中，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8～8.5份，聚乙烯亚胺1.5～2份，水90份。

8、在本发明的一种实施方式中，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8.5份，聚乙烯亚胺1.5份，水90份。

9、在本发明的一种实施方式中，所述聚乙烯胺的分子量mw 100万-300万，优选为300万；聚乙烯亚胺的分子量mw 1万-5万，优选为2.5万。

10、本发明的另一目的是提供一种上述所述的湿度响应的pvam/pei变刚度材料的制备方法，所述制备方法具体包括如下：

11、按照重量份数配比，将聚乙烯胺和聚乙烯亚胺与水配置得到复合溶液，然后将复合溶液倒入模具，干燥，脱模，即得到湿度响应的pvam/pei变刚度材料。

12、在本发明的一种实施方式中，所述聚乙烯亚胺的质量百分含量为5～40％，聚乙烯亚胺的质量百分含量是相对于聚乙烯胺和聚乙烯亚胺的总和来计算的；优选为15～20％。

13、在本发明的一种实施方式中，所述干燥的条件为40～60℃，8～24h；优选为60℃，12h。

14、本发明的第三个目的是提供一种由上述所述的pvam/pei变刚度材料在智能粘附，形状锁定及形状记忆方面的应用。

15、本发明的第四个目的是提供一种具有形状记忆的pvam/pei复合材料，所述具有形状记忆的pvam/pei复合材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺6～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～4份，水90份。

16、在本发明的一种实施方式中，所述pvam/pei复合材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～2份，水90份。

17、本在本发明的一种实施方式中，所述pvam/pei复合材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8～8.5份，聚乙烯亚胺1.5～2份，水90份。

18、在本发明的一种实施方式中，所述pvam/pei复合材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8.5份，聚乙烯亚胺1.5份，水90份。

19、在本发明的一种实施方式中，所述聚乙烯胺的分子量mw 100万-300万，优选为300万；聚乙烯亚胺的分子量mw 1万-5万，优选为2.5万。

20、有益效果：

21、(1)本发明通过一步法制备pvam/pei变刚度材料、成本低、速度快、节能环保；并且得到的pvam/pei变刚度材料具有较强的湿度响应性能，该材料在干燥时杨氏模量为1560.85mpa，达到吸湿平衡后的杨氏模量为0.022mpa，刚度变化程度高达71000倍。

22、(2)本发明的pvam/pei变刚度材料还具备较强的粘附性，可以成型成各种复杂形状，并且可以通过加热成型为所需形状，以满足不同需求；软性变刚度材料可以完全复制细节并通过去除湿度将其锁定，甚至可以从简单的形状如正方形和三角形到复杂的五角星形状。由于刚度变化高达104个数量级，形状锁定的复合材料可以承载一定的外部负荷；表现出较强的承载能力、形状记忆，并且由于其二维可伸缩性，可以重新锁定成复杂的3d形状。

23、(3)由于pvam/pei变刚度材料的刚度可以快速且连续地变化，吸湿性材料可以轻松地通过粘附在塑料瓶盖上并迅速干燥来支撑大约1.7公斤的重量。pvam/pei复合材料可以迅速改变其刚度，以灵活和可控的方式变形，并迅速恢复其形状记忆和锁定。

技术特征：

1.一种湿度响应的pvam/pei变刚度材料，其特征在于，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺6～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～4份，水90份。

2.根据权利要求1所述的pvam/pei变刚度材料，其特征在于，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～2份，水90份。

3.根据权利要求1所述的pvam/pei变刚度材料，其特征在于，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8～8.5份，聚乙烯亚胺1.5～2份，水90份。

4.根据权利要求1所述的pvam/pei变刚度材料，其特征在于，所述pvam/pei变刚度材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺8.5份，聚乙烯亚胺1.5份，水90份。

5.根据权利要求1所述的pvam/pei变刚度材料，其特征在于，所述聚乙烯胺的分子量mw100万-300万；聚乙烯亚胺的分子量mw 1万-5万。

6.一种权利要求1～5任一项所述的湿度响应的pvam/pei变刚度材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的质量百分含量为5～40％，聚乙烯亚胺的质量百分含量是相对于聚乙烯胺和聚乙烯亚胺的总和来计算的。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件为40～60℃，8～24h。

9.一种由权利要求1～5任一项所述的pvam/pei变刚度材料在智能粘附，形状锁定及形状记忆方面的应用。

10.一种具有形状记忆的pvam/pei复合材料，其特征在于，所述具有形状记忆的pvam/pei复合材料由以下重量份原料组成：聚乙烯胺6～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～4份，水90份。

技术总结
本发明公开了一种湿度响应的变刚度材料及其制备方法，属于智能高分子材料领域。本发明的湿度响应的PVAm/PEI变刚度材料由以下重量份的组分组成：聚乙烯胺6～9.5份，聚乙烯亚胺0.5～4份，水90份；通过将支化结构的聚乙烯亚胺与聚乙烯胺基体共混，增强了PVAm/PEI变刚度材料的结晶度和氢键缔合度，实现具有大幅刚度变化的材料。该PVAm/PEI变刚度材料在干湿变化时，刚度变化程度高达71000倍；同时该材料还具有较强的智能粘附，形状定制及形状记忆性能，能够满足不同的需求。

技术研发人员：司鹏翔,陈欣悦,张丹,吴赟
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14