一种水凝胶界面粘接强度的调控方法与流程

1.本公开涉及生物材料技术领域，具体涉及一种水凝胶界面粘接强度的调控方法。


背景技术：

2.能够响应外部刺激的可调控水凝胶粘附在工业、生物医学、机器人应用领域已引起广泛的关注。迄今为止，电控水凝胶粘附提供了在电场作用下两个水凝胶表面之间吸引力高效精准的控制方法。与现有的调控水凝胶界面粘接的机制相比，电控粘附拥有几个优点，例如对界面粘附力的精确控制、快速响应、无残余应力、运行无噪音和能耗低等。值得注意的是，由于电控粘接具有敏感度高与可编程自动化调控的特点，并且结合其自身尺寸小、重量轻的优势，在软材料夹具、攀爬机器人、触觉传感器等领域内拥有广泛的应用潜力。
3.然而，当前基于电导体和绝缘层的电控粘合剂通常需要在几千伏范围内施加的电压，除了存在安全问题和需要与高压兼容的专用电路元件外，容易导致介质击穿和相应的不可逆器件故障。为了降低电控粘接的工作电压，其主要技术手段是减少电粘合剂的介电层厚度。但是随着介电层厚度的降低，可靠地制造具有高粘接强度且无结构缺陷的水凝胶粘接结构具有很高的难度，并且以往使用介电粘合剂依然无法将电压降低至人体安全电压范围内。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对上述问题，本公开提供了一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，用于至少部分解决传统的电控水凝胶方法工作电压高、使用场景受局限等的技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开提供了一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，包括：结合有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量，得到水凝胶内离子扩散系数；将离子浓度饱和的第一水凝胶与无可自由移动离子的第二水凝胶粘接，并建立相应的电路模型；根据扩散系数、电路模型结合实验测量的电流数据、粘接强度数据，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系；根据电流数据计算得到水凝胶界面的离子等效电荷量，从而得到离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。
8.进一步地，结合有限元模拟水凝胶内的离子含量包括：使用有限元方法计算水凝胶在饱和离子溶液中，水凝胶区域内离子总量随时间变化的情况。
9.进一步地，使用有限元模拟包括：离子从饱和溶液中向水凝胶区域内的扩散过程描述为：
[0010][0011]
其中，t表示时间，c
ion
表示水凝胶内部某点可自由移动离子的浓度，d
ion
为可自由移动离子在水凝胶中的扩散系数。
[0012]
进一步地，使用有限元模拟还包括：使用式ii计算相应时间点的水凝胶中离子浓度数据c
i
(i＝1，2，3...n)：
[0013][0014]
其中，ω表示水凝胶区域，v
gel
表示水凝胶体积。
[0015]
进一步地，得到水凝胶内离子扩散系数包括：将有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量得到结果进行比较，当
[0016][0017]
时，即可分别得到离子在第一水凝胶、第二水凝胶中的扩散系数d
iona
、d
ionb
，
[0018]
其中，
[0019][0020]
表示实验测定的水中离子浓度平均值；c
i
(i＝1，2，3...n)为实验测量的水凝胶内浓度的数据；argmax是表示对后面方括号内的函数表达式针对不同离子浓度进行计算并求得最大值；r2是对有限元数据与实验测量数据的吻合度的评估值。
[0021]
进一步地，建立相应的电路模型包括：建立相应的时域与拉式域电路模型，该电路模型包含第一水凝胶的自身电阻、第二水凝胶的自身电阻、水凝胶界面的电阻与电容。
[0022]
进一步地，根据扩散系数、电路模型得到电流数据包括：通过拉式域电路模型根据基尔霍夫定律建立表达式，计算得到：
[0023][0024][0025]
其中，i
s
(s)与分别是干路电流i(t)和第一水凝胶与第二水凝胶的组合结构局部电流在拉式域的表达式；e为电路模型等效电动势；s为拉式域的复参变量，q
c0
表示第一水凝胶与第二水凝胶粘接部分的电容初始电荷量；r
a
为第一水凝胶等效电阻，r
b
为第二水凝胶等效电阻，r
c
为水凝胶界面的等效电阻，c为水凝胶界面的等效电容。
[0026]
进一步地，根据扩散系数、电路模型得到电流数据还包括：根据式v、式vi做拉式逆变换，得到时域空间内电流i(t)、从而得到电容器充电电流i
c
(t)为：
[0027][0028]
其中，t为从粘接开始计算的时间。
[0029]
进一步地，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系包括：结合实验测
量的粘接强度与式
ⅶ
中所得的电容器充电电流的计算结果，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系。
[0030]
进一步地，离子等效电荷量的表达式为：
[0031][0032]
根据不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系得到离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。
[0033]
(三)有益效果
[0034]
本公开实施例提供的一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，通过将理论模拟与实验数据结合，建立了描述离子在粘接水凝胶内受浓度梯度场与电场驱动而迁移的电路模型，通过实验测量得到的电流与粘接强度数据与理论模型计算结果进行对比，最终得到水凝胶粘接区域内离子含量与粘接强度的关系曲线，进而指导精准控制水凝胶粘接强度，在水凝胶智能粘附、微结构精准控制等领域具有潜在应用价值。为电粘附提供了新的基础见解，提供了一种使用施加的电位快速和可逆地控制粘附的简单途径，在软材料夹具、攀爬机器人、触觉传感器等领域内拥有广泛的应用潜力。
附图说明
[0035]
图1示意性示出了根据本公开实施例中水凝胶界面粘接强度的调控方法的流程图；
[0036]
图2示意性示出了根据本公开实施例中基于电驱动离子扩散效应的水凝胶界面粘接调控方法的完整流程示意图；
[0037]
图3示意性示出了根据本公开实施例中离子在水凝胶中迁移的渗透系数测量示意图；
[0038]
图4示意性示出了根据本公开实施例中离子在水凝胶中扩散系数的确定结果图；
[0039]
图5示意性示出了根据本公开实施例中电控粘接水凝胶示意图；
[0040]
图6示意性示出了根据本公开实施例中实验测量不同通电条件下水凝胶粘接强度结果；
[0041]
图7示意性示出了根据本公开实施例中水凝胶粘接电控电路示意图；
[0042]
图8示意性示出了根据本公开实施例中实验测量电流与理论模型计算对比图；
[0043]
图9示意性示出了根据本公开实施例中水凝胶粘接离子作用区域电荷量与粘接强度关系曲线。
具体实施方式
[0044]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0045]
本公开提出了一种水凝胶界面粘接强度的调控方法，请参见图1，包括：s1，结合有限元模拟和实验测量的水凝胶内离子含量，得到水凝胶内离子扩散系数；s2，将离子浓度饱
和的第一水凝胶与无可自由移动离子的第二水凝胶粘接，并建立相应的电路模型；s3，根据扩散系数、电路模型结合实验测量的电流数据、粘接强度数据，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与电流的关系；s4，根据电流数据计算得到水凝胶界面的离子等效电荷量，从而得到离子等效电荷量与粘接强度的调控关系。
[0046]
s1中使用实验数据与理论模拟进行对比得到相应的扩散系数，其中：离子为水凝胶中可以自由迁移的离子，水凝胶为通过单体聚合手段得到的水凝胶，可用于本公开后续的水凝胶界面粘接实验，也同样可以作为本公开中离子迁移的介质，实验数据为将不含自由移动离子的水凝胶浸泡在离子的饱和溶液中，通过称重等方式计算得到的不同时间节点下水凝胶内吸收的离子含量，理论模拟为使用有限元软件计算水凝胶在饱和离子溶液中，水凝胶区域内离子总量随时间变化的情况。使用理论拟合得到的离子在水凝胶内的扩散系数，作为本公开后续对水凝胶粘接强度调控的基础参数。
[0047]
s2中水凝胶粘接与s1中的水凝胶相同，具有第一水凝胶a、第二水凝胶b两块水凝胶胶体，其中a水凝胶通过饱和离子溶液浸泡处理，具有一定含量的可自由迁移的离子，b水凝胶不使用离子溶液浸泡处理，不含有可自由迁移的离子，电化学工作站对水凝胶的粘接区域施加电压，为通过加载在水凝胶两端的电极加载在水凝胶a和b的组合体上的电压，电场作用为在电化学工作站的加载电压下，水凝胶粘接区域内产生的均匀电场，能够影响带电离子的迁移，水凝胶粘接强度指通过测量两块水凝胶在外力作用下剥离的强度值，单位为帕斯卡，粘接水凝胶电流值指在电压作用下水凝胶内的电流测量值，单位为安培。
[0048]
s3中将不同电场作用下水凝胶粘接强度与粘接水凝胶电流值的实验测量结果将用于本公开后续对水凝胶粘接强度调控的基础电路结构可行性验证及建立调控粘接强度的参考曲线函数的依据。电路模型指对于两块粘接水凝胶在两端带有电压的条件下，带电离子在水凝胶区域内受电场作用而加速迁移的简化电路模型，包含水凝胶自身电阻，离子作用粘接区域的电阻与电容。水凝胶粘接模型将用于本公开后续控制离子迁移，调控水凝胶粘接强度，建立水凝胶粘接区域电荷量与粘接强度曲线的主要理论框架。
[0049]
将电路模型的计算与实验结果对比，计算结果指在电路模型的框架下得到的电流表达式，实验结果为通过施加电压测量得到的电流数据，计算结果与实验结果对比指将根据电路计算得到的电流数据与实验测量得到的数据进行对比。通过对比实验数据与理论计算数据，评估本公开中用于描述水凝胶电控粘接的电路模型的可靠性；将用于验证本公开后续建立水凝胶粘接区域电荷量与粘接强度曲线的理论框架的可靠性。
[0050]
s3中还包括测量影响水凝胶粘接的离子作用区域电路参数的方法，其中：影响水凝胶粘接的离子作用区域电路参数指水凝胶界面粘接在本公开前述验证的电路模型中的界面电阻与界面电容。该离子作用区域电路参数将用于本公开后续控制离子迁移，调控水凝胶粘接强度，建立水凝胶粘接区域电荷量与粘接强度曲线的主要理论依据，将对水凝胶的界面粘接调控起到关键作用。
[0051]
s4中获得水凝胶粘接强度与界面粘接区域内离子电荷量的关系曲线的方法，其中：界面粘接区域内离子电荷量指本公开前述水凝胶电控粘接电路模型中，粘接界面电容上所储存的离子等效电荷量，关系曲线指实验测量得到的在电场作用下水凝胶粘接强度与界面电容上所储存的离子等效电荷量的相关曲线。该关系曲线适用于本公开前述电路模型框架下的水凝胶界面粘接调控模型，具有良好的普适性。
[0052]
本公开为电粘附提供了新的基础见解，提供了一种使用施加的电位快速和可逆地控制粘附的简单途径，在软材料夹具、攀爬机器人、触觉传感器等领域内拥有广泛的应用潜力。
[0053]
图2为本公开实施例的基于电驱动离子扩散效应的水凝胶界面粘接调控方法的完整流程示意图，包括如下步骤：
[0054]
步骤1，通过实验与理论模拟结果对比测量水凝胶内离子扩散系数，即为s1；
[0055]
步骤2，通过电化学工作站对水凝胶的粘接区域施加电压，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与粘接水凝胶电流值；
[0056]
步骤3，对电场作用下两块粘接的水凝胶建立相应电路模型，相当于s2；
[0057]
步骤4，通过电路模型的计算与实验结果对比，验证电路模型的可靠性，相当于s3；
[0058]
步骤5，测量影响水凝胶粘接的离子作用区域电路参数，得到水凝胶粘接强度与界面粘接区域内离子电荷量的关系曲线，相当于s4。
[0059]
具体地，首先，本公开测量离子在水凝胶中的扩散系数，其模型如图3所示。将一块半径为1.5mm、长度为5mm的圆柱形的不含可自由移动离子的水凝胶浸泡在饱和离子溶液中，离子从饱和溶液中向水凝胶区域内的扩散可以描述为：
[0060][0061]
其中，t表示时间，c
ion
表示水凝胶内部某点可自由移动离子的浓度，d
ion
为可自由移动离子在水凝胶中的扩散系数。
[0062]
在实验之中，通过对不同时间浸泡水凝胶后的水凝胶内离子含量进行测量，可得到n组水溶液中离子浓度的数据c
i
(i＝1，2，3...n)，通过理论模型计算，同样可以提取出对应时间点的水凝胶中离子浓度数据c
i
(i＝1，2，3...n)，其中：
[0063][0064]
其中，ω表示水凝胶区域，v
gel
表示水凝胶体积。
[0065]
接着，本公开将粘接所用的a、b两水凝胶所做实验数据与理论模型计算得到结果进行比较，当
[0066][0067]
时，即可分别原位测量出离子在a、b水凝胶中的扩散系数d
iona
、d
ionb
，其中，
[0068][0069]
表示实验测定的水中离子浓度平均值。以上实验结果与理论模型结果如附图4所示。
[0070]
本公开接下来通过电化学工作站对水凝胶的粘接区域施加电压，得到不同电场作用下水凝胶粘接强度与粘接水凝胶电流值，如附图5与6所示。接着将对本公开附图4中的电控水凝胶粘接进行简化，其电路图如附图7所示，其中，r
a
与r
b
分别为a、b水凝胶等效电阻，r
c
为a、b水凝胶粘接结构的离子作用区域等效电阻，c为a、b水凝胶粘接结构的离子作用区域等效电容，e表示该电路结构的等效电动势，i(t)为电路中的干路电流，i
rc
(t)为a、b水凝胶粘接结构的局部电流。本公开附图7右部为拉式域内的电路模型，其中s为拉式域的复参变量，i(s)与i
rc
(s)分别表示拉式域的电路干路电流与a、b水凝胶粘接结构的局部电流。
[0071][0072]
其中，u
c
(o
‑
)表示本公开水凝胶a与b粘接部分的电容初始电压，q
c0
表示本公开水凝胶a与b粘接部分的电容初始电荷量。
[0073]
并需要注意的是，如附图5所示，在本公开的粘接需要对水凝胶a进行饱和溶液浸泡24h处理，使得水凝胶a内的离子浓度达到饱和，进而对无可自由移动离子的水凝胶b进行粘接，由于水凝胶a与b之间存在离子浓度的差异与电场作用，离子迁移的控制方程(1)可改写为：
[0074][0075]
其中，j为离子在水凝胶a与b内的扩散通量，z
ion
表示离子的电荷数，f表示法拉第常数，v表示水凝胶a与b的组合结构内的电势场，u
ion
表示离子的迁移率，并与本公开实施例中通过实验测量得到的水凝胶扩散系数存在如下关系：
[0076][0077][0078]
其中，r表示理想气体扩散常数，t表示绝对温度。
[0079]
于是，本公开中的电路结构，如附图7所示，可通过基尔霍夫定律表达为：
[0080][0081][0082]
其中，i
s
(s)与分别是干路电流i(t)和水凝胶a与b的组合结构局部电流在拉式域的表达式。
[0083]
通过求解方程(9)与(10)，可以得到：
[0084][0085][0086]
通过对方程(11)与(12)做拉式逆变换，可以得到时域空间内电流的表达式
[0087][0088][0089]
电容器充电电流为：
[0090][0091]
进而可以得到电容器电荷量的表达式：
[0092][0093]
本实施例以外加电压为1.6v为例，可通过实验测量与上述公式(15)中所得计算结果进行对比，如附图8所示，可验证本公开所构建粘接水凝胶的电路模型的可靠性与准确性。
[0094]
在进一步的实施中，通过方程(16)所计算得到的水凝胶a与b所粘接的结构的电荷量与实验测量得到的粘接强度进行对比，可以得到水凝胶电控粘接的离子作用区域电荷量与强度的调控关系，如附图9所示。本公开中此关系曲线，可作为对此类水凝胶a与b的电控粘接结构进行快速和可逆地控制粘附的依据。
[0095]
本公开通过将理论模拟与实验数据结合，建立了描述离子在粘接水凝胶内受浓度梯度场与电场驱动而迁移的电路模型，通过实验测量得到的电流与粘接强度数据与理论模型计算结果进行对比，最终得到水凝胶粘接区域内离子含量与粘接强度的关系曲线，进而指导精准控制水凝胶粘接强度，在水凝胶智能粘附、微结构精准控制等领域具有潜在应用价值。
[0096]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。