CN108842243A - 红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备和应用 - Google Patents

红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备和应用。该复合纤维具有螺旋结构，由高度取向的聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束构成。制备方法包括：静电纺丝溶液制备，纳米纤维膜制备，红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维制备。该复合纤维具有优良的致动性能，能够对红外光等热刺激作出响应，在一定负荷下进行轴向的伸缩致动。制备方法简便易行，对制备致动材料具有重要的价值。

Description

红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备和应用
技术领域
本发明属于致动器材料及其制备和应用领域，特别涉及一种红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备方法和应用。
背景技术
柔性致动器与传统的机械设计不同，这是一类可受电、光和热等外场驱动的智能致动器，本身具有高自由度和多功能性，其组成是一类可高度变形的材料或复合物，在外界刺激下，能产生理想的形变并输出力。由于还可复合功能性材料，其在各种领域，例如人工肌肉、细胞支架、药物释放、传感、生物可降解材料等领域有着广泛的应用前景。
为了产生理想的形变，大多数此类致动器是由低弹性模量的材料组成，或包含液体在其中。利用结构设计，高弹性模量材料也可用来制成柔性致动器，此类结构包括网状、泡沫、弹簧、片状、织线等，并可以集成在其他系统中。相对而言，非结构性的柔性致动器更能产生并保持大应变，具有更高的自由度和仿生度，能更好地复合其他功能性材料，并具有更高的生物相容性。外界刺激的选择对于柔性致动器来说也是关键的影响因素之一。一般来说，光、电场和磁场能够进行精确和快速地调节，包括强度、相和频率。此类刺激还能进行远程控制，因此不需要导线相连，这使得微米级的构筑成为可能。
常见的柔性致动器形态为分为块体结构致动、薄膜结构致动、纤维结构致动等，由于致动器件的物理形态不同，能够展现的致动方式也有较大区别，主要的致动方式有弯曲致动、伸缩致动以及旋转致动等。对于纤维结构致动来说，大部分致动材料都是通过构筑螺旋结构来实现旋转致动。例如参考文献(Jiang Gong,etc.,Adv.Mater.,2017,29,1605103)，作者选用商用聚酰亚胺纤维作为基底材料，通过浸涂的方法复合离子液体/聚丙烯酸/碳纳米管使其具有螺旋结构，在水分浸入脱出的过程中，纤维会发生螺旋/解螺旋，从而产生致动行为。但是该方法得到的纤维致动器产生的致动行为主要表现在纤维自身绕轴的旋转上，在沿轴方向上没有产生明显的伸缩致动行为。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备和应用，以解决目前纤维状致动材料伸缩致动性能不好的问题。
本发明的一种红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维，所述复合纤维由高度取向的聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束通过加捻得到，构成螺旋结构。
所述高度取向是指纳米纤维沿单方向排列。
所述螺旋结构是指纤维束沿着加捻方向盘旋。
本发明的一种红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维的制备方法，包括：
(1)将聚氨酯和碳纳米管溶于溶剂中，得到静电纺丝溶液，其中，以聚氨酯、碳纳米管和溶剂为总质量，聚氨酯质量分数为25％～35％，碳纳米管质量分数为1％～1.5％；
(2)将步骤(1)中静电纺丝溶液进行静电纺丝，以高速滚筒为收集器，得到纳米纤维膜；
(3)将步骤(2)中纳米纤维膜进行加捻，定型，得到红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维。
所述步骤(1)中溶剂为二甲基甲酰胺。
所述步骤(2)中静电纺丝的工艺参数为：推进速度为0.5～1ml/h，纺丝针头内径为0.5～1mm，相对湿度为40％～60％，温度为20～30℃，电压为15～20kV，距接收器距离为15～25cm，滚筒接收器转动线速度为90～120m/min，纺丝时间为2～5h。
所述步骤(3)中加捻的工艺参数为：加捻的纤维膜宽度为5～10cm，加捻所使用的负荷为1～2MPa，每厘米捻数为30～50。
所述步骤(3)中定型温度为60～70℃，定型时间为12～24h。
本发明的一种红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维的应用。包括应用在人工肌肉、远程控制等多个领域。
本发明以聚氨酯、碳纳米管作为溶质，以二甲基甲酰胺作为溶剂，配制静电纺丝前驱体溶液；使用高速滚筒作为静电纺丝的收集器，得到具有高度取向性的纳米纤维膜；在一定负荷下，对纳米纤维膜进行加捻，得到含有聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束的螺旋结构状纤维；随后在一定温度并保持负荷的状态下进行定型，得到具有红外热致动行为的聚氨酯/碳纳米管复合纤维。
本发明所制备的复合纤维具有热致动性能，主要利用的是聚氨酯的热膨胀效应；由于纤维膜是通过高速滚筒进行收集，因此聚氨酯的高分子链沿滚筒转动方向的取向性更高；由于高分子材料具有熵弹性，纤维沿取向方向熵值较低，因此受热时，纤维沿取向方向会发生收缩；进行加捻后，收缩程度会进一步放大；由于碳纳米管的复合，纤维具有较高的红外吸收能力，因此在红外光照等热刺激下能产生快速的致动行为；该复合纤维具有优良的致动性能，能够应用在人工肌肉、远程控制等多个领域。
有益效果
(1)本发明方法简便易行，对制备致动材料具有重要的价值；
(2)本发明所制备的聚氨酯/碳纳米管复合纤维，响应速度快，稳定性高，能更好地满足致动的需求；具有优良的致动性能，能够对红外光等热刺激作出响应，在一定负荷下进行轴向的伸缩致动；
(3)本发明所制备的聚氨酯/碳纳米管复合纤维，能够进行集束、编织，大大扩展其应用范围。
附图说明
图1为实施例1中聚氨酯/碳纳米管复合纤维的致动性能数据图；
图2为实施例1中加捻前的纳米纤维膜SEM扫描电镜图；
图3为实施例1中聚氨酯/碳纳米管复合纤维的轴向SEM扫描电镜图；
图4为实施例1中聚氨酯/碳纳米管复合纤维的径向截面SEM扫描电镜图；
图5为实施例1中聚氨酯/碳纳米管复合纤维的光学照片；
图6为实施例1中聚氨酯/碳纳米管复合纤维的力学性能数据图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
聚氨酯、碳纳米管、二甲基甲酰胺均为市场常规原料。
实施例1
(1)以聚氨酯、碳纳米管为溶质，以二甲基甲酰胺为溶剂，得到聚氨酯质量分数为25％，碳纳米管质量分数为1％的静电纺丝溶液。
(2)将步骤(1)中静电纺丝溶液进行静电纺丝，利用高速滚筒进行收集，纺丝的推进速度为1ml/h，纺丝针头内径为0.5mm，相对湿度为40％，温度为20℃，电压为15kV，距接收器距离为25cm，滚筒接收器转动线速度为90m/min，纺丝时间为5h；得到纳米纤维膜。
(3)将步骤(2)中纳米纤维膜进行加捻，所加捻的纤维膜宽度为10cm，加捻所使用的负荷为1MPa，每厘米捻数为30。加捻结束后，在保持负荷的状态下放入恒温室进行定型，温度为60℃，时间为24h。得到的螺旋结构复合纤维由高度取向的聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束构成，并能在红外光照下致动。
图1表明：在2MPa的负载下，红外光照4s内达到最大形变，收缩率为6.7％。
图2表明：纳米纤维膜呈高度取向排列。
图3表明：聚氨酯/碳纳米管复合纤维由高度取向的纳米纤维束构成，并具有螺旋结构。
图4表明：聚氨酯/碳纳米管复合纤维直径约为700μm。
图5表明：由于复合了碳纳米纤维，聚氨酯/碳纳米管复合纤维呈现黑色。
图6表明：聚氨酯/碳纳米管复合纤维断裂强度为18MPa，断裂伸长率为90％。
实施例2
(1)以聚氨酯、碳纳米管为溶质，以二甲基甲酰胺为溶剂，得到聚氨酯质量分数为35％，碳纳米管质量分数为1.5％的静电纺丝溶液。
(2)将步骤(1)中静电纺丝溶液进行静电纺丝，利用高速滚筒进行收集，纺丝的推进速度为0.5ml/h，纺丝针头内径为1mm，相对湿度为60％，温度为30℃，电压为20kV，距接收器距离为15cm，滚筒接收器转动线速度为120m/min，纺丝时间为2h；得到纳米纤维膜。
(3)将步骤(2)中纳米纤维膜进行加捻，所加捻的纤维膜宽度为5cm，加捻所使用的负荷为2MPa，每厘米捻数为50。加捻结束后，在保持负荷的状态下放入恒温室进行定型，温度为70℃，时间为12h。得到的螺旋结构复合纤维由高度取向的聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束构成，并能在红外光照下致动。
实施例3
(1)以聚氨酯、碳纳米管为溶质，以二甲基甲酰胺为溶剂，得到聚氨酯质量分数为30％，碳纳米管质量分数为1.2％的静电纺丝溶液。
(2)将步骤(1)中静电纺丝溶液进行静电纺丝，利用高速滚筒进行收集，纺丝的推进速度为0.75ml/h，纺丝针头内径为0.75mm，相对湿度为50％，温度为25℃，电压为17.5kV，距接收器距离为20cm，滚筒接收器转动线速度为105m/min，纺丝时间为3.5h；得到纳米纤维膜。
(3)将步骤(2)中纳米纤维膜进行加捻，所加捻的纤维膜宽度为7.5cm，加捻所使用的负荷为1.5MPa，每厘米捻数为40。加捻结束后，在保持负荷的状态下放入恒温室进行定型，温度为65℃，时间为18h。得到的螺旋结构复合纤维由高度取向的聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束构成，并能在红外光照下致动。
对比例1
参考文献(Jiang Gong,etc.,Adv.Mater.,2017,29,1605103)。具有螺旋结构的纤维状致动器。该致动器以商用聚酰亚胺织物纤维作为基材，通过复合具有多孔结构的聚丙酸/碳纳米管网络，使其能够有效地吸入/脱出水分，从而产生螺旋/解螺旋的致动行为。对于1cm长的样品，该致动器吸入水分时可在大约10s内产生绕轴11转的致动行为，但没有伸缩致动行为。具体制备方法：首先将1g离子液体和0.18g聚丙烯酸溶解在20ml二甲基甲酰胺中，随后将35mg碳纳米管分散在上述溶液中，得到离子液体/聚丙烯酸/碳纳米管分散液；取长80mm宽20mm的聚酰亚胺织物放在玻璃片上，并浸涂0.4ml上述分散液；将上述处理的织物在80℃下干燥2h后，浸入质量分数为0.5％的氨水溶液中2h，即得。

Claims (7)

1.一种聚氨酯/碳纳米管复合纤维，其特征在于，所述复合纤维具有螺旋结构，由高度取向的聚氨酯/碳纳米管复合纳米纤维束构成。
2.一种聚氨酯/碳纳米管复合纤维的制备方法，包括：
(1)将聚氨酯和碳纳米管溶于溶剂中，得到静电纺丝溶液，其中，以聚氨酯、碳纳米管和溶剂为总质量，聚氨酯质量分数为25％～35％，碳纳米管质量分数为1％～1.5％；
(2)将步骤(1)中静电纺丝溶液进行静电纺丝，以高速滚筒为收集器，得到纳米纤维膜；
(3)将步骤(2)中纳米纤维膜进行加捻，定型，得到红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中溶剂为二甲基甲酰胺。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中静电纺丝的工艺参数为：推进速度为0.5～1ml/h，纺丝针头内径为0.5～1mm，相对湿度为40％～60％，温度为20～30℃，电压为15～20kV，距接收器距离为15～25cm，滚筒接收器转动线速度为90～120m/min，纺丝时间为2～5h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中加捻的工艺参数为：加捻的纤维膜宽度为5～10cm，加捻所使用的负荷为1～2MPa，每厘米捻数为30～50。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中定型温度为60～70℃，定型时间为12～24h。
7.一种如权利要求1所述的复合纤维的应用。
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