CN109795103A - 一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PVC‑gel人工肌肉一体化打印方法，以聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃为PVC‑gel芯层原料，以碳纳米管和硅橡胶或聚氯乙烯和超长碳管、己二酸丁二酯为电极原料，通过3D直写装置打印工艺制备出全柔性的一体化PVC‑gel人工肌肉。本发明将3D打印技术与全柔性PVC‑gel人工肌肉相结合，将3D打印技术应用到PVC‑gel电极以及芯层的一体化制备过程中，实现了全柔性PVC‑gel人工肌肉的结构的快速成型，降低了制造全柔性PVC‑gel结构的成本，拓宽了该材料在医疗、航天、软体机器人等领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法。
背景技术
PVC凝胶(poly vinylchloride-ge1，简称PVC)是一种电活性聚合物具有高应变(13％以上)，响应速度快，工作频带宽，质量轻，工作电压介于IPMC和DE之间，驱动性能高，可以实现弯曲与上下振动两种驱动形式等优点，逐步被研究者所重视，并进行了初步应用。
现有的铸膜或者叠层制备PVC驱动器的工艺只能制备相对简单的结构，而且现有的PVC均采用铜箔，不锈钢网，锌电极等刚性电极，因此很难做成全柔性驱动器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，将3D打印技术与PVC-gel以及柔性电极结合起来，解决PVC-gel实现一体化快速成型与制造复杂柔性结构的难题，适用于全柔性PVC-gel多层人工肌肉材料的制造。
本发明采用以下技术方案：
一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，以聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃为PVC-gel芯层原料，以碳纳米管和硅橡胶或聚氯乙烯和超长碳管、己二酸丁二酯为电极原料，通过3D直写装置打印工艺制备出全柔性的一体化PVC-gel人工肌肉。
具体的，将聚氯乙烯、己二酸丁二酯混合，然后溶于四氢呋喃，磁力搅拌混合均匀，直至聚氯乙烯在混合溶液中均匀分散成透明的芯层墨水。
进一步的，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量比为(1：1)～(1：11)，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的总质量与四氢呋喃的质量比为1：(2.5～4)，聚氯乙烯的聚合度为1000～7000。
具体的，将碳纳米管溶解在异丙醇溶剂中，超声处理，直至碳纳米管均匀悬浮在溶液中，再往溶液中加入硅橡胶的A组分，采用磁力搅拌加热挥发异丙醇，直至异丙醇挥发完全后，加入硅橡胶的B组分，搅拌均匀成粘状的电极打印墨水。
进一步的，异丙醇与碳纳米管的质量混合比例为1：(50～100)，超声分散1～2h，碳纳米管与硅橡胶的质量比为(7：93)～(9:91)，碳纳米管长度>0.5um，管径长度>10nm。
具体的，将超长碳管溶解在四氢呋喃中，和己二酸丁二酯、聚合度1000～7000的聚氯乙烯混合，磁力搅拌加热得到均匀黑色粘稠液体。
进一步的，聚氯乙烯和己二酸丁二酯质量比例为1：(1～11)；聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量和与四氢呋喃的质量比为1：(2.5～4)；聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量和与超长碳管的质量比例为(91～93)：(9～7)。
具体的，打印工艺配置如下：
S301、先将电极打印墨水装入打印储料管中，调节墨水的挤出气压，使挤出气压与喷头的扫描速度匹配，然后调节打印喷头与成形板的位置，进行打印参数的预调，使得打印墨水的线条出丝均匀；
S302、运行电极层G代码，电极层为网状电极和实体电极结构形式；
S303、电极层打印完成后，将芯层墨水装入芯层墨水储料管中，然后调节打印喷头与成形舱/板的位置，进行打印参数的预调，使打印芯层墨水的线条出丝均匀；
S304、运行芯层打印G代码，当电极层为网状时，芯层为实体状，当电极层为实体状，芯层为波纹状；
S305、重复以上步骤，直至到设计所需要的人工肌肉层数。
进一步的，墨水的挤出气压为0.02～0.5MPa，扫描速度为5～35mm/s，成型舱/板的温度设定为30～60℃，喷头离成型板的高度为0.2～0.5mm。
具体的，加热固化处理的温度为60～80℃，固化时间为2～4h，然后进行正负电极引线处理，得到PVC-gel人工肌肉。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明PVC-gel网状电致驱动器的制备方法，PVC-gel人工肌肉的一体化打印工艺，以聚氯乙烯(PVC)、己二酸丁二酯(DBA)、四氢呋喃(THF)为原料配置打印PVC-gel的芯层墨水，以碳纳米管(CNT)、硅橡胶(PDMS，Ecoflex)、异丙醇为原料配置PVC-gel的电极墨水，通过交错打印电极-芯层-电极打印制备全柔性的PVC-gel的驱动结构。基本原理是通过己二酸丁二酯(ATBC)塑化后的PVC材料具有电致动性能，四氢呋喃(THF)作为溶剂能够溶剂PVC材料，且具有很强的挥发性，通过加热能够促进聚氯乙烯(PVC)、己二酸丁二酯的交联及ThF的挥发，便于打印时热固化成型，通过碳纳米管与PDMS混合，加热固化后的电极具有很好的导电性以及延展性，可以很好实现全柔性PVC-gel结构的制备。
进一步的，本发明配置的PVC墨水粘度与模量能够满足打印网孔PVC或者悬空打印PVC的要求。
进一步，本发明的打印电极墨水原料为碳纳米管(CNT)、硅橡胶(PDMS，Ecoflex)、异丙醇选择合适的配比，使得碳管均匀分散，确保打印墨水的粘度以及刚性，同时能够便于打印时能够实现墨水自举。
进一步，采用第二种墨水配置方法，可以作为打印搭桥电极的补充，可以打印跨距更大的电极层。
进一步，打印工艺参数的设置，打印后续处理工艺选择，能够最优的使得电极-芯层交替打印，且打印得到的一体化人工肌肉具有高应变，10％以上。
进一步的，通过加热处理可以保证电极固化，同时除尽一体化结构中四氢呋喃，提高人工肌肉材料的驱动性能。
综上所述，本发明将3D打印技术与全柔性PVC-gel人工肌肉相结合，将3D打印技术应用到PVC-gel电极以及芯层的一体化制备过程中，实现了全柔性PVC-gel人工肌肉的结构的快速成型，降低了制造全柔性PVC-gel结构的成本，拓宽了该材料在医疗、航天、软体机器人等领域的应用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为PVC实体的一体化结构；
图2为PVC网孔的一体化人工肌肉结构；
图3为打印后的人工肌肉变形原理图；
图4为PVC-gel一体化打印实体。
其中：1.电极；2.PVC-gel薄膜；3.实体PVC；4.网孔电极。
具体实施方式
本发明提供了一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，以聚氯乙烯(PVC)、己二酸丁二酯(ATBC)、四氢呋喃(THF)为PVC-gel芯层原料，以碳纳米管和(PDMS)或者聚氯乙烯(PVC)和超长碳管(SCG)己二酸丁二酯(ATBC)为电极原料，通过3D直写装置打印工艺制备出全柔性的一体化PVC-gel人工肌肉。本发明能够实现全柔性PVC-gel材料与结构的一体化，可用于柔性器械、软体机器人等领域。
本发明一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，包括以下步骤：
S1、芯层墨水配置；
先将聚氯乙烯PVC、己二酸丁二酯混合，然后溶于四氢呋喃THF，磁力搅拌混合均匀，直至聚氯乙烯在混合溶液中均匀分散成透明的溶液；
聚氯乙烯PVC和己二酸丁二酯DBA的质量比为(1：1)～(1：11)，聚氯乙烯PVC和己二酸丁二酯DBA的总质量与四氢呋喃的质量比为1：(2.5～4)。
聚氯乙烯PVC的聚合度为1000～7000，磁力搅拌后的溶液DBA完全溶剂在THF中，溶液倾倒时，不存在明显的粘壁现象，分散的乳状溶液采用除泡机进行除泡，然后存入打印芯层墨水瓶中，采用封口膜将瓶盖密封。
S2、电极墨水配置；
电极墨水的配置分为两种方法：
1、先将碳纳米管CNT溶解在异丙醇溶剂中，其中异丙醇与碳纳米管的质量混合比例为1：(50～100)，超声分散1～2h，直至碳纳米管均匀悬浮在溶液中，再往溶液中加入硅橡胶(PDMS，Ecoflex)的A组分，采用磁力搅拌加热挥发异丙醇，直至异丙醇挥发完全后，加入硅橡胶的B组分，搅拌均匀成粘状的电极打印墨水；
其中，碳管与硅橡胶的质量比为(7：93)～(9:91)，碳纳米管长度>0.5um，管径长度>10nm,常用的型号有TSW3，SCG等。配置后电极打印墨水采用粘度计在1HZ剪切频率，剪切速率(1(1/s)情况下，粘度应该大于104Pa.S.聚氯乙烯的聚合度为1000～7000。
2、先将超长碳管SCN溶解在四氢呋喃THF中，聚氯乙烯PVC，聚合度为1000～7000、己二酸丁二酯混合，磁力搅拌加热均匀黑色粘稠液体。
PVC和己二酸丁二酯(DBA)质量比例为1：(1～11)；PVC+DBA与四氢呋喃的质量比为1：(2.5～4)；PVC+DBA与超长碳管的质量比例为(91～93)：(9～7)。
S3、一体化打印工艺参数的配置；
S301、先将电极打印墨水装入打印储料管中，调节墨水的挤出气压为0.02～0.5MPa，扫描速度为5～35mm/s，使挤出气压与喷头的扫描速度匹配，然后调节打印喷头与成形板的位置，进行打印参数的预调，使得打印墨水的线条出丝均匀；
S302、运行电极层G代码，电极层有两种结构形式：网状电极与实体电极结构形式；
S303、电极层打印完成后，进行芯层PVC的打印，将芯层墨水装入芯层墨水储料管中，然后调节打印喷头与成形舱/板的位置，进行打印参数的预调，使得打印芯层墨水的线条出丝均匀；
成型舱/板的温度设定为30～60℃，喷头离成型板的高度为0.2～0.5mm。
S304、运行芯层打印G代码，芯层的结构需要与电极层的结构匹配，当电极层为网状时，芯层为实体状，当电极层为实体状，芯层为波纹状；
S305、重复以上步骤，直至到设计所需要的人工肌肉层数，层厚为0.175～0.23mm。
S4、PVC-gel人工肌肉的一体化打印后处理。
将打印好的人工肌肉材料至于真空干燥箱中加热固化处理，固化温度为60～80℃，固化时间为2～4h，然后进行正负电极引线处理，得到PVC-gel人工肌肉。
打印后的人工肌肉能够发生拉伸变形，应变可达10％以上，如图3所示。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
1)PVC芯层打印墨水的配置：
称取2g PVC-gel粉末和22g己二酸丁二酯混合，然后加入48gTHF，采用磁力搅拌2天直至PVC粉末在THF中充分溶解，DBA与PVC完全混合均匀至无色透明液体，测试该溶液的流变性能，具有剪切变稀性质，确保墨水的浓度适合直写打印。
2)电极打印墨水的配置
1)称取0.35g碳纳米管(型号TSW3，管径10～20nm，长度0.5～2um)，与50g异丙醇混合，超声分散2h，然后加入4.23g PDMS-A组分，再超声分散2h，磁力搅拌加热挥发异丙醇直至异丙醇挥发完毕，然后加入0.423gPDMS-B组分，搅拌均匀成黑色粘稠浆料。
3)一体化直写打印过程
①将打印芯层PVC墨水和电极墨水分别装入双喷头打印机的储料管中，采用气压阀控制芯层与电极墨水的挤出流量，通过三维打印软件控制三轴移动平台在X，Y，Z轴上的运动方向和运动速度，设定成型地板的加热温度，
挤出气压为0.23MPa；扫描速度为10mm/s；成型舱/板的温度设定范围为60℃；
②打印网状电极，网格密度为100目，打印电极层数为2层，电极层厚参数为0.165mm；
③在网状电极上打印平面PVC。打印PVC层数为2层，PVC-gel的层参数为0.2mm；
④交替上述2、3步骤5次，得到所需要的5层PVC-gel人工肌肉。
3)材料表面电极制造及后处理
采用0.5mm的铜线分别引出PVC-gel人工肌肉，并引出电极，得到一体化打印的PVC-gel实体如图4所示，对实体进行加电测试，发现打印后的人工肌肉应变可达10％以上。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，以聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃为PVC-gel芯层原料，以碳纳米管和硅橡胶或聚氯乙烯和超长碳管、己二酸丁二酯为电极原料，通过3D直写装置打印工艺制备出全柔性的一体化PVC-gel人工肌肉。
2.根据权利要求1所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，将聚氯乙烯、己二酸丁二酯混合，然后溶于四氢呋喃，磁力搅拌混合均匀，直至聚氯乙烯在混合溶液中均匀分散成透明的芯层墨水。
3.根据权利要求2所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量比为(1：1)～(1：11)，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的总质量与四氢呋喃的质量比为1：(2.5～4)，聚氯乙烯的聚合度为1000～7000。
4.根据权利要求1所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，将碳纳米管溶解在异丙醇溶剂中，超声处理，直至碳纳米管均匀悬浮在溶液中，再往溶液中加入硅橡胶的A组分，采用磁力搅拌加热挥发异丙醇，直至异丙醇挥发完全后，加入硅橡胶的B组分，搅拌均匀成粘状的电极打印墨水。
5.根据权利要求4所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，异丙醇与碳纳米管的质量混合比例为1：(50～100)，超声分散1～2h，碳纳米管与硅橡胶的质量比为(7：93)～(9:91)，碳纳米管长度>0.5um，管径长度>10nm。
6.根据权利要求1所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，将超长碳管溶解在四氢呋喃中，和己二酸丁二酯、聚合度1000～7000的聚氯乙烯混合，磁力搅拌加热得到均匀黑色粘稠液体。
7.根据权利要求6所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，聚氯乙烯和己二酸丁二酯质量比例为1：(1～11)；聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量和与四氢呋喃的质量比为1：(2.5～4)；聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量和与超长碳管的质量比例为(91～93)：(9～7)。
8.根据权利要求1所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，打印工艺配置如下：
S301、先将电极打印墨水装入打印储料管中，调节墨水的挤出气压，使挤出气压与喷头的扫描速度匹配，然后调节打印喷头与成形板的位置，进行打印参数的预调，使得打印墨水的线条出丝均匀；
S302、运行电极层G代码，电极层为网状电极和实体电极结构形式；
S303、电极层打印完成后，将芯层墨水装入芯层墨水储料管中，然后调节打印喷头与成形舱/板的位置，进行打印参数的预调，使打印芯层墨水的线条出丝均匀；
S304、运行芯层打印G代码，当电极层为网状时，芯层为实体状，当电极层为实体状，芯层为波纹状；
S305、重复以上步骤，直至到设计所需要的人工肌肉层数。
9.根据权利要求8所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，墨水的挤出气压为0.02～0.5MPa，扫描速度为5～35mm/s，成型舱/板的温度设定为30～60℃，喷头离成型板的高度为0.2～0.5mm。
10.根据权利要求1所述的PVC-gel人工肌肉一体化打印方法，其特征在于，加热固化处理的温度为60～80℃，固化时间为2～4h，然后进行正负电极引线处理，得到PVC-gel人工肌肉。
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