CN112680966B - 复合纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合纤维及其制备方法和应用。所述复合纤维包括导电纤维和包覆于导电纤维表面的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，并且所述三维多孔结构内填充有离子液体。本发明提供的人工肌肉纤维所采用的离子液体是一种室温熔融盐，其蒸气压低，不易挥发，电化学窗口宽，与目前所用的有机或者无机电解液相比受溶剂蒸发的影响较低，可以在空气中稳定工作，因此采用离子液体填充的纳米纤维网络形成电解质层可以保证本发明中的电化学人工肌肉纤维在空气中的使用的稳定性，并大大增加使用寿命。

Description

复合纤维及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种人工肌肉纤维，特别涉及一种复合纤维及其制备方法和应用，属于材料科学技术领域。

背景技术

人工肌肉与生物肌肉类似，具有收缩应力大，功率密度高和能量密度高的特点，并且具有编织整合的特性，近年来在机械外骨骼和柔性机器人领域受到了广泛的关注，在众多的人工肌肉中，电化学人工肌肉由于低工作电压，无明显的热效应以及无卡诺效率的限制而引起人们广泛的兴趣。

Foroughi等首先报道了加捻的多壁碳纳米管人工肌肉，这种人工肌肉在六丁基磷酸四丁铵的乙腈溶液中以5V(vs.Ag/Ag+参比电极)电压刺激时可产生1％的收缩，通过继续提高纤维捻度形成螺旋结构，CNT纤维在有机电解质中产生的拉伸收缩率可以进一步提高为16.5％。Mu等人提出了鞘层驱动的人工肌肉的概念，以CNT为鞘层的Nylon6纤维在有机电解质中驱动时可以产生约20％的收缩率，输出的能量密度为2.35J/g。最近，Kim等人还通过集束将CNT人工肌肉的做功能力提升到3.78kJ/kg。

然而，液体工作体系严重限制了上述电化学人工肌肉的实际应用，为了应对液态工作体系这一挑战，目前的一些工作已经报道了凝胶型电解质体系，利用这种电解质体系制备的准固态人工肌肉通常由充当正极和负极的两根纤维组成；Lee等人报道了基于H₂SO₄水溶液-聚(乙烯醇)凝胶电解质的CNT人工肌肉，在1V驱动时产生了0.52％的收缩；而使用有机凝胶电解质可以使人工肌肉在更高的驱动电压下工作，在5V驱动电压下的平行和编织的CNT纤维可以获得11.6％和5％的高收缩量，由于这些凝胶的机械强度低且尺寸稳定性差，因此两个电极之间容易短路，为了避免短路现象，两电极之间必须保持一定距离，但是这增加离子传输的阻抗，此外，凝胶电解质中溶剂的挥发会限制电化学人工肌肉的长期工作稳定性。

综上，现有技术主要存在以下缺点：1)液态电解质体系体积和重量大，2)液态的工作体系严重限制了其在智能可穿戴领域的应用，3)粘稠状凝胶结构稳定性和尺寸稳定性差，容易短路，4)目前使用的电解质都面临着溶剂蒸发等问题，无法在空气中长时间稳定的工作。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种复合纤维及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种复合纤维，其包括导电纤维和包覆于导电纤维表面的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，并且所述三维多孔结构内填充有离子液体。

本发明实施例还提供了所述复合纤维的制备方法，所述的制备方法包括：

采用静电纺丝方式在导电纤维表面原位制作形成包覆所述导电纤维的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构；以及，在所述纳米纤维鞘层的三维多孔结构中填充离子液体。

本发明实施例还提供了一种人工肌肉纤维，其包括相互绞合的至少两股螺旋纤维，所述螺旋纤维包括由所述复合纤维加捻形成的螺旋结构。

本发明实施例还提供了所述复合纤维的制备方法，所述的制备方法包括：

采用所述的制备方法获得的复合纤维；

将至少两个所述复合纤维依次进行合束、加捻，直至形成均匀的螺旋结构，从而获得相互绞合的至少两股螺旋纤维，或者，先对所述复合纤维依次进行加捻直至形成均匀的螺旋结构，之后将具有螺旋结构的复合纤维进行对折并使所述复合纤维自绞合，从而获得相互绞合的至少两股螺旋纤维。

本发明实施例还提供了一种人工肌肉，其包括所述的人工肌肉纤维，所述人工肌肉纤维中的至少一股螺旋纤维与电源正极连接，至少另一股螺旋纤维与电源负极连接。

本发明实施例还提供了一种智能驱动机构，其包括所述的人工肌肉纤维或所述的人工肌肉。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维所采用的离子液体的蒸气压低，不易挥发，电化学窗口宽，与目前所用的有机或者无机电解液相比受溶剂蒸发的影响较低，可以在空气中稳定工作，因此采用离子液体填充高分子纳米纤维网络薄膜形成电解质层可以保证本发明中的电化学人工肌肉纤维在空气中的使用的稳定性，并大大增加使用寿命；

2)本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维，采用通过静电纺丝技术制备的高分子纳米纤维网络薄膜(即高分子纳米纤维鞘层，下同)具有良好的机械强度和柔韧性，可以使复合纤维被加捻成螺旋结构而不被撕裂，同时，可以是复合纤维具有稳定的形状，使得两个电极之间的距离被大大的缩短，这样离子传输的距离同样也被缩短；

3)本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在保持同等的结构稳定性的前提下可以打结、集束而不出现短路现象，仍具有人工肌肉的收缩功能；

4)本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维中的高分子纳米纤维网络薄膜具有大量的微米级的孔隙，这种微米级的孔隙为离子液体提供了良好的储存空间，另外，由于毛细力的存在，离子液体会被很好的吸附在高分子纳米纤维网络薄膜内部孔隙中而不会被挤出，以及，由于高分子纳米纤维网络薄膜内具有大量的微米级的孔隙，离子在其中传输过程中所遇到的阻力较小，因此这种结构使电解质层具有良好的离子电导率，该电解质层的离子电导率为2mS cm^-1-8mS cm^-1；

5)本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维的制作工艺简单，可扩大批量生产，从而实现产品化。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维的制备流程示意图；

图2是本发明一典型实施案例中复合纤维的截面扫描电子显微图；

图3是本发明一典型实施案例中人工肌肉在浸泡离子液体前的扫描电子显微图；

图4是本发明一典型实施案例中纳米纤维鞘层的微观放大扫描电子显微图；

图5是本发明一典型实施案例中绞合后的复合纤维的扫描电子显微图；

图6和图7分别是本发明一典型实施案例中浸泡离子液体前后的人工肌肉的光学照片；

图8是本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在4V、0.1Hz的方波电压刺激下，收缩率及施加电压与时间的关系曲线图；

图9是本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在4V、0.1Hz的方波电压刺激下，输出力及施加电压与时间的关系曲线图；

图10是本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在打结后在4V、0.1Hz的方波电压刺激下，收缩率与时间的关系曲线图；

图11是本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在3V、0.1Hz的方波电压刺激下，收缩率与不同的环境相对湿度的关系曲线图；

图12是本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在3V、0.1Hz的方波电压刺激下，收缩率与放置天数的关系曲线图；

图13和图14分别为本发明一典型实施案例中提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在空气中工作的展示。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

目前基于有机或无机电解液的人工肌肉都是在液体环境下工作的，采用的是三电极工作体系，而基于离子液体的人工肌肉是在空气中工作的，同时是两电极工作体系，在人工肌肉领域，从液体的工作体系到空气环境的工作体系是一种创新，极大的拓展了人工肌肉的可能应用范围。

本发明实施例提供了一种由离子液体填充的高分子纳米纤维网络薄膜(即纳米纤维鞘层，下同)包覆加捻的CNT纤维，这种复合薄膜鞘层(即纳米纤维鞘层)既可以起到储存电解液(即离子液体)的作用，又可以起到多孔隔膜的作用，在避免两个纤维电极短路的同时，又可以使两个纤维电极紧密相邻，由本发明实施例提供的制备方法制备的固态人工肌肉纤维非常稳定，可以容易地打结和集束而不会降低驱动性能，人工肌肉纤维产生的静态力要比天然肌肉高得多；另外，本发明实施例提供的人工肌肉纤维还可以在打结、不同的环境湿度和温度以及在空中长期循环和存储等条件下可逆地稳定收缩。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维，利用静电纺丝技术在碳纳米管纤维上沉积高分子纳米纤维网络薄膜，并利用离子液体填充高分子纳米纤维网络薄膜以作为电化学人工肌肉的电解质层，并以表面包覆有电解质层的碳纳米管纤维进行绞合而形成电化学人工肌肉纤维，以及，本发明还通过将所述人工肌肉纤维固定在弹簧内部，通过弹簧的变形给人工肌肉纤维提供预拉伸，从而不需要再人为提供预拉伸张力。

本发明实施例提供了一种复合纤维，其包括导电纤维和包覆于导电纤维表面的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，并且所述三维多孔结构内填充有离子液体。

进一步的，所述纳米纤维鞘层的厚度为5-100μm。

进一步的，所述高分子纳米纤维的直径为100-1000nm；

进一步的，所述高分子纳米纤维的材质包括聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈中的任意一种，但不限于此。

进一步的，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的任意一种或两种的组合，但不限于此。

进一步的，所述离子液体于所述纳米纤维鞘层中的含量为100-1000wt％。

进一步的，所述导电纤维的直径为20-300μm。

进一步的，所述导电纤维的材质包括碳纳米管、银线、石墨烯中的任意一种或多种的组合，但不限于此。

本发明实施例还提供了所述复合纤维的制备方法，所述的制备方法包括：

采用静电纺丝方式在导电纤维表面原位制作形成包覆所述导电纤维的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构；以及，在所述纳米纤维鞘层的三维多孔结构中填充离子液体。

进一步的，所述的制备方法具体包括：将多根导电纤维依次经合股加捻，直至形成均匀的螺旋结构，或者，将单根导电纤维加捻至形成均匀的螺旋结构，之后再在所述导电纤维表面制作形成所述的纳米纤维鞘层。

进一步的，所述的制备方法具体包括：将所述纳米纤维鞘层浸没于离子液体中，以使所述离子液体填充于所述纳米纤维鞘层的三维多孔结构中。

本发明实施例还提供了一种人工肌肉纤维，其包括相互绞合的至少两股螺旋纤维，所述螺旋纤维包括由所述复合纤维加捻形成的螺旋结构。

进一步的，所述螺旋纤维的捻度为1000-4000转/米。

进一步的，所述至少两股螺旋纤维的绞合系数为1-1.5。

进一步的，单股人工肌肉纤维的直径为100-1000μm。

进一步的，任意一股螺旋纤维中的导电纤维与其余螺旋纤维中的导电纤维均无接触。

本发明实施例还提供了所述复合纤维的制备方法，所述的制备方法包括：

采用所述的制备方法获得的复合纤维；

将至少两个所述复合纤维依次进行合束、加捻，直至形成均匀的螺旋结构，从而获得相互绞合的至少两股螺旋纤维，或者，先对所述复合纤维依次进行加捻直至形成均匀的螺旋结构，之后将具有螺旋结构的复合纤维进行对折并使所述复合纤维自绞合，从而获得相互绞合的至少两股螺旋纤维。

本发明实施例还提供了一种人工肌肉，其包括所述的人工肌肉纤维，所述人工肌肉纤维中的至少一股螺旋纤维与电源正极连接，至少另一股螺旋纤维与电源负极连接。

本发明实施例还提供了一种智能驱动机构，其包括所述的人工肌肉纤维或所述的人工肌肉。

进一步的，所述智能驱动机构包括智能机器人的动力组件。

如下将结合附图和具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，若非特别说明，本发明所采用的制作工艺和条件等均可以是本领域技术人员已知的。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括采用静电纺丝技术在碳纳米管纤维表面沉积了一层聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯纳米纤维网络薄膜而形成复合纤维，对复合纤维进行加捻后得到螺旋纤维，将螺旋纤维在中间对折，释放对折点后形成自绞合纤维，然后，在对折点处切断纤维，将绞合后的绞合纤维浸泡在[EMIm]BF₄)中2小时后得到人工肌肉纤维。

具体的，一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法具体包括如下步骤：

1.1)将4g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌12小时后，获得均匀的PVDF-HFP纺丝溶液；

1.2)将CNT(碳纳米管)纱线的两端固定在金属夹具上，并绕轴以100rpm旋转形成碳纳米管纤维，其中，设置纺丝电压为18kV，使纺丝溶液以0.8ml/h的速度流过内径为0.41mm的针头，通过静电纺丝技术，在碳纳米管纤维表面沉积一层约20μm厚的PVDF-HFP纳米纤维(即前述纳米纤维鞘层)，PVDF-HFP纳米纤维鞘层的微观放大扫描电子显微图如图4所示；

1.3)静电纺丝完成后，将获得的复合纤维在60℃下干燥24小时，所获复合纤维的截面扫描电子显微图如图2所示；

1.4)将干燥后的复合纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，并将另一端悬挂一定的重物，以一定的转速对复合纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；

1.5)将具有螺旋结构的复合纤维自中间部位对折，释放对折点后，在扭矩平衡的作用下形成自绞合纤维，并在对折点处切断复合纤维形成两根绞合在一起的复合纤维，绞合后的复合纤维的扫描电子显微图如图5所示，可以看出外层包覆的纳米纤维层均匀完整，没有撕裂现象；

1.6)将这两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，并将该两条复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF₄)中浸泡2小时，从而完成人工肌肉(即人工肌肉纤维，下同)的制备，浸泡离子液体前的人工肌肉的扫描电子显微图如图3所示，浸泡离子液体前后的复合纤维的光学照片分别如图6、图7所示，从图6和图7可以看出复合纤维在直径方面保持均匀，浸泡离子液体之后形态上也没有明显变化。

对制备形成的人工肌肉进行测试，所获人工肌肉在4V的方波电压刺激下的收缩率及电压与时间的关系如图8所示，其中4V的刺激电压是以0.1Hz(50％的占空比)的频率施加，在施加刺激电压的时候，阴阳离子会分别向正负电极迁移，当离子嵌入到电极材料内部时会造成人工肌肉纤维的径向膨胀，从而产生轴向收缩，最大收缩量达到7.5％；而当电压调零的时，人工肌肉纤维逐渐恢复到原始状态；当再次施加电压刺激的时，人工肌肉纤维重复上述变化状态。

在4V，0.1Hz的方波电压刺激下，本实施例提供的人工肌肉的输出力、电压与时间的关系如图9所示，图9显示了预拉伸张力为8.6MPa的人工肌肉产生的输出力的时间依赖性，在两个纤维电极之间施加频率为0.1Hz的0-4V方波电压时，产生的静态力逐渐增加到44mN，而当施加的电压切换到0V时，静态力逐渐减小到0N。

具体的，在4V、0.1Hz的方波电压刺激下，本实施例提供的人工肌肉纤维在打结后的收缩率与时间的关系曲线如图10所示；在3V、0.1Hz的方波电压刺激下，本实施例提供的人工肌肉纤维的收缩率与不同的环境相对湿度的关系曲线如图11所示；3V、0.1Hz的方波电压刺激下，本实施例提供的人工肌肉纤维的收缩率与放置天数的关系曲线如图12所示；由图10、图11、图12可以看出，本发明实施例提供的人工肌肉纤维在打结过后仍可以工作，在不同的环境湿度和不同的放置天数后，收缩率没有明显降低。

具体的，图13和图14分别示出了本实施例中所获人工肌肉在空气中工作状态，其中图13展示了基于本实施例中的人工肌肉制备的迷你起重机提升网球拍的展示，将两根人工肌肉集束在一起作为动力部位(或机构)，在4V的电压刺激下，其可以提升4g重的网球拍；图14是基于本发明实施例所获人工肌肉制备的仿生三爪抓手，将人工肌肉置于弹簧内部，人工肌肉的两端固定在弹簧的两端，弹簧的预弯曲给了人工肌肉预拉伸，在4V的电压刺激下，三爪抓手可以抓取重物并保持抓取动作，当撤去电压刺激后，抓手释放重物；这些应用充分展示了本发明实施例提供的由离子液体填充纳米纤维鞘层人工肌肉纤维在空气中工作的可行性，大大的扩展了人工肌肉纤维的实际应用，使人工肌肉纤维有望应用于仿生机器人的动力组件。

实施例2

一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括如下步骤：

本实施例中人工肌肉纤维的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中的人工肌肉纤维的制备方法具体包括：

将4g聚偏二氟乙烯(PVDF)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌，获得均匀的PVDF纺丝溶液，采用静电纺丝技术在碳纳米管纤维表面原位形成一层PVDF纳米纤维；静电纺丝完成后，将所获复合纤维在60℃下干燥24小时；

将干燥后的复合纤维的依次进行加捻、自绞合，并在对折点处切断复合纤维而形成两根绞合在一起的复合纤维，然后将这两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，并将两根绞合在一起的复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF₄)中浸泡2小时，从而完成人工肌肉的制备。

实施例3

一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括如下步骤：

本实施例中人工肌肉纤维的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中的人工肌肉纤维的制备方法具体包括：

将2g聚丙烯腈(PAN)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌，获得均匀的PAN纺丝溶液，采用静电纺丝技术在碳纳米管纤维表面原位形成一层PAN纳米纤维，静电纺丝完成后，将所获复合纤维在60℃下干燥24小时；

将干燥后的复合纤维的进行加捻、自绞合，并在对折点处切断而形成两根绞合在一起的复合纤维，然后将这两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，接着将两根绞合在一起的复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF₄)中浸泡2小时，从而完成人工肌肉的制备。

实施例4

一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括如下步骤：

本实施例中人工肌肉纤维的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中的人工肌肉纤维的制备方法具体包括：

将4g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌，获得均匀的PVDF-HFP纺丝溶液，采用静电纺丝技术在商用导电银线纤维表面原位形成一层PVDF-HFP纳米纤维，静电纺丝完成后，将所获复合纤维在60℃下干燥24小时；

将干燥后的复合纤维的进行加捻、自绞合，并在对折点处切断而形成两根绞合在一起的纤维，然后将这两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，接着将两根绞合在一起的复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF₄)中浸泡2小时，从而完成人工肌肉的制备。

实施例5

一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括如下步骤：

本实施例中人工肌肉纤维的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中的人工肌肉纤维的制备方法具体包括：

将4g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌，获得均匀的PVDF-HFP纺丝溶液，采用静电纺丝技术在湿法纺丝石墨烯纤维(其复合纤维亦可)表面原位形成一层PVDF-HFP纳米纤维，静电纺丝完成后，将所获复合纤维在60℃下干燥24小时；

将干燥后的复合纤维的进行加捻、自绞合，并在对折点处切断而形成两根绞合在一起的复合纤维，然后将这两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，接着将两根绞合在一起的复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF₄)中浸泡2小时，从而完成了人工肌肉的制备。

实施例6

一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括如下步骤：

本实施例中人工肌肉纤维的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中的人工肌肉纤维的制备方法具体包括：

将4g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌，获得均匀的PVDF-HFP纺丝溶液，采用静电纺丝技术在碳纳米管纤维表面原位形成一层PVDF-HFP纳米纤维，静电纺丝完成后，将所获复合纤维在60℃下干燥24小时；

将干燥后的复合纤维的进行加捻、自绞合，并在对折点处切断而形成两根绞合在一起的复合纤维，然后将这两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，接着将两根绞合在一起的复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIm]TFSI)中浸泡2小时，从而完成了人工肌肉的制备。

实施例7

一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，包括如下步骤：

本实施例中人工肌肉纤维的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中的人工肌肉纤维的制备方法具体包括：

首先，将4g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)颗粒添加到20ml N-N二甲基甲酰胺溶液中搅拌，获得均匀的PVDF-HFP纺丝溶液，采用静电纺丝技术在碳纳米管纤维表面原位形成一层PVDF-HFP纳米纤维，静电纺丝完成后，将所获复合纤维在60℃下干燥24小时；

取两根相同长度的干复合纤维，将两根复合纤维的两端对齐后平行接触放置，并将两根复合纤维的一端垂直悬挂在加捻电机上，另一端悬挂一定的重物，以一定的转速对两根复合纤维进行加捻，直到形成螺旋结构；

然后将该两条复合纤维分别作为两个电极进行接线，接着将该两条复合纤维在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF₄)中浸泡2小时，从而完成人工肌肉的制备。

分别对实施例2-实施例7所制备形成的人工肌肉进行测试，测试方法与实施例1中的测试方法相同，所获测试结果与实施例1中的结果基本一致。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维的制备方法，使用静电纺丝技术在导电纤维表面沉积了一层高分子纳米纤维网络薄膜，并在所述高分子纳米纤维网络薄膜内填充离子液体而作为电解质层，通过静电纺丝技术制备获得的电解质层厚度均匀，是通过其他方法(如浸渍提拉法)制备的电解质层无法实现的。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维，以高分子纳米纤维网络薄膜与离子液体复合形成电解质层，使所述电解质层的离子承载能力和离子电导率都有很大的提高，并真正实现了固态的电化学人工肌肉纤维。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维，以高分子纳米纤维网络薄膜与离子液体复合形成电解质层，本发明所提供的电解质层与凝胶电解质相比具有高的机械强度和尺寸稳定性，可以是两个纤维电极之间的距离大大缩小，离子传输的阻抗也大大减小。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维所采用的离子液体是室温熔融盐，其蒸气压低，不易挥发，电化学窗口宽，与目前所用的有机或者无机电解液相比受溶剂蒸发的影响较低，可以在空气中稳定工作，因此采用离子液体高分子纳米纤维网络薄膜形成电解质层可以保证本发明中的电化学人工肌肉纤维在空气中的使用的稳定性，并大大增加使用寿命。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维，采用通过静电纺丝技术制备的高分子纳米纤维网络薄膜具有良好的机械强度和柔韧性，可以使复合纤维被加捻成螺旋结构而不被撕裂，同时，可以是复合纤维具有稳定的形状，使得两个电极之间的距离被大大的缩短，这样离子传输的距离同样也被缩短。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维在保持同等的结构稳定性的前提下可以打结、集束而不出现短路现象，仍具有人工肌肉的收缩功能。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维中的高分子纳米纤维网络薄膜具有大量的微米级的孔隙，这种微米级的孔隙为离子液体提供了良好的储存空间，另外，由于毛细力的存在，离子液体会被很好的吸附在高分子纳米纤维网络薄膜内部孔隙中而不会被挤出，以及，由于高分子纳米纤维网络薄膜内具有大量的微米级的孔隙，离子在其中传输过程中所遇到的阻力较小，因此这种结构使电解质层具有良好的离子电导率。

本发明实施例提供的一种高稳定性人工肌肉纤维的制作工艺简单，可扩大批量生产，从而实现产品化。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士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。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种复合纤维，其特征在于包括导电纤维和包覆于导电纤维表面的纳米纤维鞘层，所述导电纤维具有均匀的螺旋结构，所述螺旋结构是由多根导电纤维依次经合股加捻而获得，或者，由单根导电纤维加捻而获得，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，并且所述三维多孔结构内填充有离子液体，其中，所述三维多孔结构为微米级的孔隙。

2. 根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述纳米纤维鞘层的厚度为5-100 μm。

3. 根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述高分子纳米纤维的直径为100–1000 nm。

4.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述高分子纳米纤维的材质包括聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的任意一种或两种的组合。

6. 根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述离子液体于所述纳米纤维鞘层中的含量为100-1000 wt%。

7. 根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述导电纤维的直径为 20-300 μm。

8.根据权利要求1所述的复合纤维，其特征在于：所述导电纤维的材质包括碳纳米管、银线、石墨烯中的任意一种或多种的组合。

9.如权利要求1-8中任一项所述复合纤维的制备方法，其特征在于包括：

采用静电纺丝方式在导电纤维表面原位制作形成包覆所述导电纤维的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，所述三维多孔结构为微米级的孔隙；以及，在所述纳米纤维鞘层的三维多孔结构中填充离子液体。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括：将多根导电纤维依次经合股加捻，直至形成均匀的螺旋结构，或者，将单根导电纤维加捻至形成均匀的螺旋结构，之后再在所述导电纤维表面制作形成所述的纳米纤维鞘层。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括：将所述纳米纤维鞘层浸没于离子液体中，以使所述离子液体填充于所述纳米纤维鞘层的三维多孔结构中。

12.一种人工肌肉纤维，其特征在于包括相互绞合的至少两股螺旋纤维，所述螺旋纤维包括由权利要求1-8中任一项所述复合纤维加捻形成的螺旋结构。

13. 根据权利要求12所述的人工肌肉纤维，其特征在于：所述螺旋纤维的捻度为1000转/米-4000转/米。

14.根据权利要求12所述的人工肌肉纤维，其特征在于：所述至少两股螺旋纤维的绞合系数为1–1.5。

15. 根据权利要求12所述的人工肌肉纤维，其特征在于：单股人工肌肉纤维的直径为100-1000 μm。

16.根据权利要求12所述的人工肌肉纤维，其特征在于：任意一股螺旋纤维中的导电纤维与其余螺旋纤维中的导电纤维均无接触。

17.如权利要求12-16中任一项所述人工肌肉纤维的制备方法，其特征在于包括：

采用权利要求9-11中任一项所述的制备方法获得的复合纤维；

将至少两个所述复合纤维依次进行合束、加捻，直至形成均匀的螺旋结构，从而获得相互绞合的至少两股螺旋纤维，或者，先对所述复合纤维依次进行加捻直至形成均匀的螺旋结构，之后将具有螺旋结构的复合纤维进行对折并使所述复合纤维自绞合，从而获得相互绞合的至少两股螺旋纤维。

18.一种人工肌肉，其特征在于包括权利要求12-16中任一项所述的人工肌肉纤维，所述人工肌肉纤维中的至少一股螺旋纤维与电源正极连接，至少另一股螺旋纤维与电源负极连接。

19.一种智能驱动机构，其特征在于包括权利要求12-16中任一项所述的人工肌肉纤维或权利要求18所述的人工肌肉。

20.根据权利要求19所述的智能驱动机构，其特征在于：所述智能驱动机构包括智能机器人的动力组件。

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