CN109750364A - 一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺。一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，包括以下步骤：（1）准备电致伸缩材料（2）中空纤维本体提拉涂覆成型（3）涂覆柔性导电脂（4）充气预先拉伸（5）密封（6）通电。本发明中制备的中空纤维可制备中空纤维布、人工肌肉等，可应用于航空、航天技术领域，如机械手，实现无级连续力的调节，柔性力可保护拿取物，本发明制备简单，制作成本低，制备的中空纤维伸缩性能好，电能转换率高，值得广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺。
背景技术
电致伸缩材料是在电场、电压或电流的作用下发生形变产生伸缩运动，从而实现电能- 机械能转换的一种材料。电致伸缩材料由于类似肌肉的运动形式又被称为人工肌肉材料。人工肌肉纤维将在未来的超级机器人、人工脏器、宇航和深海自动操纵纵系统等方面得到广泛应用。它已成为当今世界高技术研究的课题。
传统的电致伸缩材料包括形状记忆合金、压电陶瓷、铁电聚合物等。然而，这些电致伸缩材料的电致伸缩率较低，柔韧性较差。再还有就是，现有技术中一种电介质弹性体材料，该电介质弹性体材料通常为一硅树脂或聚丙酸树脂橡胶。这种电介质弹性体材料可以提供较高的电致伸缩率，且具有较好的柔韧性，表现出与生物肌肉相似的特性。实际应用时，可将电介质弹性体材料构成的电介质弹性体膜设置于两个平行的金属电极之间。当在两个金属电极之间施加一上千伏特的高压直流电压时，两电极之间产生的静电引力在垂直电介质弹性体膜表面的方向上挤压电介质弹性体膜，使其在平行电介质弹性体膜表面的平面内向各个方向扩张。关闭电压，作用在所述电介质弹性体膜的静电引力消失，电介质弹性体膜恢复原来形状。然而，该电介质弹性体膜通常需要较高的直流电压才能工作，提高了其使用成本，限制了其应用。另外，该电介质弹性体膜膨胀时，其在同一平面内各向同性地膨胀，从而限制了该电介质弹性体材料的应用。
专利CN 101958394 A,公开了一种电致伸缩复合材料及电致伸缩元件，电致伸缩复合材料包括一柔性高分子基体，以及分散在所述柔性高分子基体中的多个一维导电材料，所述电致伸缩复合材料为片材，所述多个一维导电材料的轴向基本沿同一方向定向排列。电致伸缩元件包括一电致伸缩材料，所述电致伸缩材料包括一柔性高分子基体，以及均匀设置于该柔性高分子基体当中的多个碳纳米管；以及一第一电极和一第二电极，所述第一电极与第二电极间隔设置，并于所述电致伸缩材料电连接；所述多个碳纳米管通过范德华力构成一碳纳米管膜结构，该多个碳纳米管的轴向基本沿相同的方向定向排列，所述第一电极及第二电极设置于所述电致伸缩材料沿碳纳米管轴向方向的两端。
上述专利，虽然通过多个一维导电材料的轴向基本沿同一方向定向排列，使其具有定向膨胀特性，但是，其将一维导电材料间相互间隔的平行设置或者层叠设置，如果当一处产生击穿点后，会造成此处的短路，从而影响电致伸缩材料的伸缩性能，且其电能转换机械能的转换率较低，耗能大，提高了使用成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备简单，制作成本低，制备的中空纤维伸缩性能好，电能转换率高的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，包括以下步骤：
（1）、准备电致伸缩材料：
将准备好的液态电致伸缩材料盛装在容器中，以备用；
（2）、中空纤维本体提拉涂覆成型：
a、将步骤（1）容器中的液态电致伸缩材料用提拉成型载体通过提拉涂覆技术，同时利用提升机构牵拉提拉成型载体以一定速度上升，进行提拉涂覆，使得液态电致伸缩材料包裹在提拉成型载体上；
b、在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热快速凝固；
c、液态电致伸缩材料凝固后，进行脱模处理，制得管状的中空纤维本体，待用；
（3）、涂覆柔性导电脂：首先将电极材料与液体硅橡胶混合并搅拌均匀，制备成柔性导电脂；然后将柔性导电脂均匀涂覆在步骤（2）中制备的中空纤维本体内表面和外表面上，待柔性导电脂胶凝后形成中空纤维；
（4）、充气预先拉伸：先将步骤（3）中制备的中空纤维的一端用热熔胶进行封装，然后从中空纤维另一端向中空纤维内充气，进行预拉伸处理；
（5）、密封：将步骤（4）中预拉伸完成的中空纤维的另一端用热熔胶进行密封封装；
（6）、通电：先将步骤（5）制备的中空纤维的内表面及外表面连接电源形成电路回路，然后打开电源进行通电，通电后中空纤维变粗、伸长。
上述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，所述的电致伸缩材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
上述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，所述加热器为螺旋加热管，且涂覆有液态电致伸缩材料的提拉成型载体穿过螺旋加热管，所述柔性导电脂通过注射器均匀涂覆在中空纤维本体内表面和外表面上。
上述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，所述的提拉成型载体为铁丝，所述步骤（2）中的提拉成型载体在提拉涂覆之前先涂一层便于脱模的硅油。
上述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，所述的电极材料包括石墨粉、碳纳米管、纳米银。
上述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，所述步骤（2）中提升机构通过牵拉绳与提拉成型载体连接，所述提升机构的牵拉速度为10mm-1m/min。
上述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，所述电加热器的加热温度为80-200℃，加热时间为15min-2h。
本发明制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺的有益效果是：在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热，加快凝固时间，从而提高了生产效率；向中空纤维中预先充气，进行中空纤维的预先拉伸处理，预拉伸后，中空纤维的分子从新排列，分子间的间隙变小，其截面积增大，所以通电后，相对电阻减小，电流增大，提高了电致伸缩材料的电致应变率，从而增大电能转换率，可节省电能，降低使用成本。本发明制备工艺简单，制备效率高、成本低，制备的中空纤维伸缩性能好，电能转换率高，值得广泛推广应用。
附图说明
图1为本发明的中空纤维制备工艺流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，包括以下步骤：
（1）、准备电致伸缩材料：
将准备好的液态电致伸缩材料盛装在容器中，以备用，电致伸缩材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶；
（2）、中空纤维本体提拉涂覆成型：
a、将步骤（1）容器中的液态电致伸缩材料用提拉成型载体通过提拉涂覆技术，同时利用提升机构牵拉提拉成型载体以一定速度上升，进行提拉涂覆，使得液态电致伸缩材料包裹在提拉成型载体上，提拉成型载体可采用铁丝，提拉成型载体在提拉涂覆之前先涂一层硅油，便于液体电致伸缩材料凝固后从提拉成型载体上脱落；本发明中提升机构为现有技术，提升机构通过牵拉绳与提拉成型载体连接，提升机构的牵拉速度为10mm-1m/min；
b、在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热快速凝固；电加热器为螺旋加热管，且涂覆有液态电致伸缩材料的提拉成型载体穿过螺旋加热管进行加热加速凝固，电加热器的加热温度为80-200℃，加热时间为15min-2h；
c、液态电致伸缩材料凝固后，进行脱模处理，制得管状的中空纤维本体，待用；
（3）、涂覆柔性导电脂：首先将电极材料与液体硅橡胶混合并搅拌均匀，制备成柔性导电脂，其中，电极材料包括石墨粉、碳纳米管、纳米银；然后将柔性导电脂均匀涂覆在步骤（2）中制备的中空纤维本体内表面和外表面上，其中，可采用注射器将柔性导电脂涂覆在空纤维本体内表面和外表面上，待柔性导电脂胶凝后形成中空纤维；
（4）、充气预先拉伸：先将步骤（3）中制备的中空纤维的一端用热熔胶进行封装，然后从中空纤维另一端向中空纤维内充气，进行预拉伸处理；
（5）、密封：将步骤（4）中预拉伸完成的中空纤维的另一端用热熔胶进行密封封装；
（6）、通电：先将步骤（5）制备的中空纤维的内表面及外表面连接电源形成电路回路，然后打开电源进行通电，通电后中空纤维变粗、伸长。
实施例1：
一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，包括以下步骤：
（1）、准备电致伸缩材料：
将准备好的液态苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物盛装在容器中，以备用；
（2）、中空纤维本体提拉涂覆成型：
a、将步骤（1）容器中的液态电致伸缩材料用提拉成型载体通过提拉涂覆技术，同时利用提升机构牵拉提拉成型载体以一定速度上升，进行提拉涂覆，使得液态电致伸缩材料包裹在提拉成型载体上，提拉成型载体可采用铁丝，提拉成型载体在提拉涂覆之前先涂一层硅油，便于液体电致伸缩材料凝固后从提拉成型载体上脱落；本发明中提升机构为现有技术，提升机构通过牵拉绳与提拉成型载体连接，提升机构的牵拉速度为10mm/min；
b、在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热快速凝固，电加热器为螺旋加热管，且涂覆有液态电致伸缩材料的提拉成型载体穿过螺旋加热管进行加热加速凝固；电加热器的加热温度为80℃，加热时间为15min；
c、液态电致伸缩材料凝固后，进行脱模处理，制得管状的中空纤维本体，待用；
（3）、涂覆柔性导电脂：首先将电极材料与液体硅橡胶混合并搅拌均匀，制备成柔性导电脂，其中，电极材料采用石墨粉；然后将柔性导电脂均匀涂覆在步骤（2）中制备的中空纤维本体内表面和外表面上，其中，可采用注射器将柔性导电脂涂覆在空纤维本体内表面和外表面上，待柔性导电脂胶凝后形成中空纤维；
（4）、充气预先拉伸：先将步骤（3）中制备的中空纤维的一端用热熔胶进行封装，然后从中空纤维另一端向中空纤维内充气，进行预拉伸处理；
（5）、密封：将步骤（4）中预拉伸完成的中空纤维的另一端用热熔胶进行密封封装；
（6）、通电：先将步骤（5）制备的中空纤维的内表面及外表面连接电源形成电路回路，然后打开电源进行通电，通电后中空纤维变粗、伸长。
实施例2：
一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，包括以下步骤：
（1）、准备电致伸缩材料：
将准备好的液态乙烯-醋酸乙烯酯共聚物盛装在容器中，以备用；
（2）、中空纤维本体提拉涂覆成型：
a、将步骤（1）容器中的液态电致伸缩材料用提拉成型载体通过提拉涂覆技术，同时利用提升机构牵拉提拉成型载体以一定速度上升，进行提拉涂覆，使得液态电致伸缩材料包裹在提拉成型载体上，提拉成型载体可采用铁丝，提拉成型载体在提拉涂覆之前先涂一层硅油，便于液体电致伸缩材料凝固后从提拉成型载体上脱落；本发明中提升机构为现有技术，提升机构通过牵拉绳与提拉成型载体连接，提升机构的牵拉速度为0.5m/min；
b、在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热快速凝固，电加热器为螺旋加热管，且涂覆有液态电致伸缩材料的提拉成型载体穿过螺旋加热管进行加热加速凝固；电加热器的加热温度为140℃，加热时间为1h；
c、液态电致伸缩材料凝固后，进行脱模处理，制得管状的中空纤维本体，待用；
（3）、涂覆柔性导电脂：首先将电极材料与液体硅橡胶混合并搅拌均匀，制备成柔性导电脂，其中，电极材料采用碳纳米管；然后将柔性导电脂均匀涂覆在步骤（2）中制备的中空纤维本体内表面和外表面上，其中，可采用注射器将柔性导电脂涂覆在空纤维本体内表面和外表面上，待柔性导电脂胶凝后形成中空纤维；
（4）、充气预先拉伸：先将步骤（3）中制备的中空纤维的一端用热熔胶进行封装，然后从中空纤维另一端向中空纤维内充气，进行预拉伸处理；
（5）、密封：将步骤（4）中预拉伸完成的中空纤维的另一端用热熔胶进行密封封装；
（6）、通电：先将步骤（5）制备的中空纤维的内表面及外表面连接电源形成电路回路，然后打开电源进行通电，通电后中空纤维变粗、伸长。
实施例3：
一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，包括以下步骤：
（1）、准备电致伸缩材料：
将准备好的液态热塑性聚氨酯弹性体橡胶盛装在容器中；
（2）、中空纤维本体提拉涂覆成型：
a、将步骤（1）容器中的液态电致伸缩材料用提拉成型载体通过提拉涂覆技术，同时利用提升机构牵拉提拉成型载体以一定速度上升，进行提拉涂覆，使得液态电致伸缩材料包裹在提拉成型载体上，提拉成型载体可采用铁丝，提拉成型载体在提拉涂覆之前先涂一层硅油，便于液体电致伸缩材料凝固后从提拉成型载体上脱落；本发明中提升机构为现有技术，提升机构通过牵拉绳与提拉成型载体连接，提升机构的牵拉速度为1m/min；
b、在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热快速凝固，电加热器为螺旋加热管，且涂覆有液态电致伸缩材料的提拉成型载体穿过螺旋加热管进行加热加速凝固；电加热器的加热温度为200℃，加热时间为2h；
c、液态电致伸缩材料凝固后，进行脱模处理，制得管状的中空纤维本体，待用；
（3）、涂覆柔性导电脂：首先将电极材料与液体硅橡胶混合并搅拌均匀，制备成柔性导电脂，其中，电极材料采用纳米银；然后将柔性导电脂均匀涂覆在步骤（2）中制备的中空纤维本体内表面和外表面上，其中，可采用注射器将柔性导电脂涂覆在空纤维本体内表面和外表面上，待柔性导电脂胶凝后形成中空纤维；
（4）、充气预先拉伸：先将步骤（3）中制备的中空纤维的一端用热熔胶进行封装，然后从中空纤维另一端向中空纤维内充气，进行预拉伸处理；
（5）、密封：将步骤（4）中预拉伸完成的中空纤维的另一端用热熔胶进行密封封装；
（6）、通电：先将步骤（5）制备的中空纤维的内表面及外表面连接电源形成电路回路，然后打开电源进行通电，通电后中空纤维变粗、伸长。
本发明可通过调节电压实现无级连续力的调节，具体的机械力与电压关系如下：
机械力：σ v =ε′ε 0 φ²；
电场强度：φ=Φ/h；
公式中σ v 是麦克斯韦应力，h是中空纤维的厚度，ε′是介电弹性体的介电常数，ε 0 是真空的介电常数 (8.85×10-12 F/m)，φ是电场强度，它等于施加在中空纤维上的电压Φ与中空纤维厚度h的比值。
本发明制备的中空纤维材料可采用纺织技术制备成织物，用于空气过滤，还可以加捻成绳子制备成机械手，用于柔性力技术领域，例如用于航空航天智能机器人上的人工肌肉纤维，有利于保护拿取物受损，本发明工作原理是由电能转换为机械能，可通过调节电压实现无级连续的调节。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、准备电致伸缩材料：
将准备好的液态电致伸缩材料盛装在容器中，以备用；
（2）、中空纤维本体提拉涂覆成型：
a、将步骤（1）容器中的液态电致伸缩材料用提拉成型载体通过提拉涂覆技术，同时利用提升机构牵拉提拉成型载体以一定速度上升，进行提拉涂覆，使得液态电致伸缩材料包裹在提拉成型载体上；
b、在提拉涂覆的过程中，将提拉成型载体上的液态电致伸缩材料提拉出容器部分用电加热器进行加热快速凝固；
c、液态电致伸缩材料凝固后，进行脱模处理，制得管状的中空纤维本体，待用；
（3）、涂覆柔性导电脂：首先将电极材料与液体硅橡胶混合并搅拌均匀，制备成柔性导电脂；然后将柔性导电脂均匀涂覆在步骤（2）中制备的中空纤维本体内表面和外表面上，待柔性导电脂胶凝后形成中空纤维；
（4）、充气预先拉伸：先将步骤（3）中制备的中空纤维的一端用热熔胶进行封装，然后从中空纤维另一端向中空纤维内充气，进行预拉伸处理；
（5）、密封：将步骤（4）中预拉伸完成的中空纤维的另一端用热熔胶进行密封封装；
（6）、通电：先将步骤（5）制备的中空纤维的内表面及外表面连接电源形成电路回路，然后打开电源进行通电，通电后中空纤维变粗、伸长。
2.根据权利要求1所述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征是：所述的电致伸缩材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
3.根据权利要求1所述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征是：所述电加热器为螺旋加热管，且涂覆有液态电致伸缩材料的提拉成型载体穿过螺旋加热管，所述柔性导电脂通过注射器均匀涂覆在中空纤维本体内表面和外表面上。
4.根据权利要求3所述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征是：所述的提拉成型载体为铁丝，所述步骤（2）中的提拉成型载体在提拉涂覆之前先涂一层便于脱模的硅油。
5.根据权利要求4所述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征是：所述的电极材料包括石墨粉、碳纳米管、纳米银。
6.根据权利要求5所述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征是：所述步骤（2）中提升机构通过牵拉绳与提拉成型载体连接，所述提升机构的牵拉速度为10mm-1m/min。
7.根据权利要求3所述的制备基于电致伸缩材料的中空纤维的工艺，其特征是：所述电加热器的加热温度为80-200℃，加热时间为15min-2h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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