CN112921459B - 螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用 - Google Patents

螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将多壁碳纳米管薄膜围在水凝胶细丝外，滴加黏附液体，使多壁碳纳米管薄膜黏附在水凝胶细丝的表面上，得到碳纳米管水凝胶复合纤维；将1～6根碳纳米管水凝胶复合纤维平行设置组成碳纳米管水凝胶复合纤维组，对碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻，得到一根扭曲纤维；将扭曲纤维缠绕在一细棒上且该根扭曲纤维的两端与细棒固定，于120～130℃加热10～15min，自然降至室温，从细棒上取下扭曲纤维，得到弹簧形状的螺旋卷绕型人工肌肉。在高相对湿度的环境下，螺旋卷绕型人工肌肉产生伸长或收缩致动；在低相对湿度的环境下，回复到原始状态。

Description

螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于人工肌肉技术领域，具体来说涉及一种螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用。
背景技术
螺旋卷绕型人工肌肉是指基于高度加捻纤维的一类人工肌肉。在受到外界刺激如温度、电流、湿度、离子、光等时，具有弹簧形状的螺旋卷绕型人工肌肉能够自身产生响应，发生伸缩运动。螺旋卷绕型人工肌肉以其优异的驱动性能及广阔的应用前景，驱使越来越多的学者对其展开了研究。近年来，螺旋卷绕型人工肌肉蓬勃发展，各种螺旋卷绕型纤维人工肌肉被研究开发并应用到各个领域。
德克萨斯大学达拉斯分校Haines等人用渔线和缝纫线这类廉价但是高强度的聚合物纤维制作出可以拉伸的纤维状卷绕型人工肌肉。这种人工肌肉的制作方式十分简单，将单根扭曲尼龙66纤维卷绕就可以制成螺旋卷绕型人工肌肉。在环境温度发生改变时，这种人造肌肉会发生伸缩运动，单根螺旋卷绕型人工肌肉纤维可以收缩49％，举起的重量是相同长度和重量的人类肌肉的100倍以上。同时，也可以在聚合物纤维表面包裹碳纳米管等材料，实现通电加热等多种驱动方式。2015年，Chen等人在碳纳米管中引入了分层的螺旋结构，形成了各种尺度的间隙，从而为人工肌肉提供了良好伸缩的驱动性能。通过将对齐的碳纳米管纱线加入捻度制作出前体扭曲纤维，再将多根扭曲的原始纤维对齐并继续加捻，直至形成紧密的螺旋线圈结构，形成了分层排列的螺旋纤维人工肌肉，这种人工肌肉可以用乙醇等溶剂驱动，溶剂首先在线圈间的微米级结构中扩散，然后再渗入到碳纳米管的纳米级结构中，使人工肌肉的直径增大，发生可逆的旋转和伸缩运动。
在不同的环境中需要不同材料制成的人工肌肉才可以满足应用需求，所以针对特殊的应用场景，迫切需要新的设计方案满足应用需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法。
本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的螺旋卷绕型人工肌肉。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将1～4质量份数的乙烯基三乙氧基硅烷加入30～45质量份数的去离子水中，搅拌11～13h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，在16～18体积份数的所述透明分散体溶液中加入11～13质量份数的丙烯酸和0.023～0.025质量份数的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30～40min，得到第一溶液；
在上述技术方案中，所述透明分散体溶液中透明分散体为0.067～0.068wt％。
在上述技术方案中，当所述质量份数的单位为g时，所述体积份数的单位为mL。
步骤2，在惰性气体或氮气环境下，将所述第一溶液于38～42℃反应30～35h，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一拉丝件插入所述双网络水凝胶中，拔出拉丝件以使该拉丝件从双网络水凝胶中拉出丝状双网络水凝胶，得到水凝胶细丝，使所述水凝胶细丝静置30～100s；
在所述步骤3中，所述拉丝件为一棒体。
在所述步骤3中，所述水凝胶细丝的长度为30～35cm。
步骤4，将多壁碳纳米管薄膜围在所述水凝胶细丝外，滴加黏附液体，以使所述多壁碳纳米管薄膜黏附在所述水凝胶细丝的表面上，得到碳纳米管水凝胶复合纤维；
在所述步骤4中，将多壁碳纳米管薄膜围在所述水凝胶细丝外时，将所述水凝胶细丝的两端分别固定。
在所述步骤4中，所述黏附液体为乙醇。
在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜为从多壁碳纳米管阵列上拉出的薄膜。
在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜的宽度为5～6mm。
在所述步骤4中，所述碳纳米管水凝胶复合纤维的直径为30～35μm。
在上述技术方案中，使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在所述水凝胶细丝外。
步骤5，将1～6根碳纳米管水凝胶复合纤维平行设置组成碳纳米管水凝胶复合纤维组，旋转碳纳米管水凝胶复合纤维组的一端，用于对所述碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻，得到一根扭曲纤维，其中，所述根扭曲纤维的加捻密度为6000～7000转/米；
步骤6，将所述扭曲纤维缠绕在一细棒上且该根扭曲纤维的两端与所述细棒固定，于120～130℃加热10～15min，自然降至室温20～25℃，从细棒上取下所述扭曲纤维，得到弹簧形状的螺旋卷绕型人工肌肉。
在所述步骤6中，所述细棒的直径为1～1.5mm。
在所述步骤6中，在所述细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离为0.1～2.5mm。
在所述步骤6中，当所述扭曲纤维在细棒上缠绕方向与所述碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相同时，在所述细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离为0.5～2.5mm；当所述扭曲纤维在细棒上缠绕方向与所述碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相反时，在所述细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离小于等于0.2mm。
在上述技术方案中，所述制备方法的操作环境为：温度20～25℃，相对湿度为20～30％。
上述制备方法获得的螺旋卷绕型人工肌肉。
上述螺旋卷绕型人工肌肉在窗帘中作为经线或纬线的应用。
本发明的有益效果如下：
1.本发明制备出的螺旋卷绕型人工肌肉是一种新型柔性致动器。因为双网络水凝胶可以吸收大量水分，所以在高相对湿度的环境下，双网络水凝胶因吸收水分而体积膨胀，螺旋卷绕型人工肌肉产生伸长或收缩致动；在低相对湿度的环境下，人工肌肉回复到原始状态。
2.本发明螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法所需设备简单，克服了传统碳纳米管材料热定型所需的高温条件。
3.扭曲纤维在细棒上缠绕方向与碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相同，本发明螺旋卷绕型人工肌肉称为同手性结构；若相反，则称为异手性结构。可以通过手性调控得到伸长或者收缩的人工肌肉。
附图说明
图1是本发明的螺旋卷绕型人工肌的结构示意图；
图2为实施例3所得螺旋卷绕型人工肌肉的致动性能测试结果图；
图3为螺旋卷绕型人工肌肉的循环性能测试结果图；
图4为将螺旋卷绕型人工肌肉纺织成窗帘后的照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
表1实施例中所涉及药品的来源
Figure BDA0002305059140000041
表2实施例中所涉及仪器的型号
Figure BDA0002305059140000042
多壁碳纳米管薄膜为从多壁碳纳米管阵列上拉出的薄膜，多壁碳纳米管薄膜的宽度为5mm。
拉伸行程(％)：螺旋卷绕型人工肌肉的原长为l0，螺旋卷绕型人工肌肉在加湿器产生的水雾中驱动后的长度为l，“驱动后”的定义为螺旋卷绕型人工肌肉长度不再发生变化，拉伸行程：
拉伸行程(％)＝(l–l0)/l0×100％
下述制备方法的操作环境为：温度20～25℃，相对湿度为20％。
实施例1～9
一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将3.8g的乙烯基三乙氧基硅烷加入30g的去离子水中，剧烈搅拌12h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，透明分散体溶液中透明分散体为0.067wt％。在18mL透明分散体溶液中加入12g的丙烯酸和0.024g的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30min，得到第一溶液；
步骤2，将第一溶液倒入离心管，向离心管中通入氩气，以充分排出离心管内的空气，迅速密封离心管，将第一溶液在40±2℃的油浴中反应30h，反应过程中进行自由基聚合，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一圆柱体形细铁棒插入双网络水凝胶中，迅速拔出圆柱体形细铁棒，该圆柱体形细铁棒从双网络水凝胶中拉出长度为30cm的丝状双网络水凝胶，即得到水凝胶细丝，使水凝胶细丝静置100s；
步骤4，将水凝胶细丝的两端分别固定，可以通过一方形框架固定，固定时将水凝胶细丝的两端分别与方形框架的2个相对的边连接。使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在水凝胶细丝外。滴加乙醇，以使多壁碳纳米管薄膜黏附在水凝胶细丝的表面上，得到直径为35μm的碳纳米管水凝胶复合纤维；
步骤5，将N根碳纳米管水凝胶复合纤维平行设置(首尾对齐)组成碳纳米管水凝胶复合纤维组，用光学显微镜测量碳纳米管水凝胶复合纤维组的直径为dμm，将碳纳米管水凝胶复合纤维组的一端与一电机连接，另一端固定作为固定端，启动电机，对碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻，得到一根扭曲纤维，其中，扭曲纤维的加捻密度为6000转/米，在加捻过程中，碳纳米管水凝胶复合纤维组的长度不断缩短，需要调整电机输出轴与固定端的距离，防止碳纳米管水凝胶复合纤维组断裂；
步骤6，将扭曲纤维缠绕在一直径为D mm的细棒(细棒为毛细玻璃管)上且该根扭曲纤维的两端与细棒固定，于120℃加热10min，自然降至室温20～25℃，从细棒上取下扭曲纤维，得到弹簧形状的螺旋卷绕型人工肌肉。扭曲纤维在细棒上缠绕方向与碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相同(同手性结构，zz)，在细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离为δmm。
N、δ、d和D的数值见表3。
表3
实施例 N D(mm) d(μm) δ(mm) 弹簧指数C＝D/d
实施例1 6 1 133 1 7.5
实施例2 4 1 100 1 10
实施例3 3 1 67 1 15
实施例4 2 1 50 1 20
实施例5 1 1 40 1 25
实施例6 3 1 67 0.5 15
实施例7 3 1 67 1.5 15
实施例8 3 1 67 2 15
实施例9 3 1 67 2.5 15
实施例10～14
一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将3.8g的乙烯基三乙氧基硅烷加入30g的去离子水中，剧烈搅拌12h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，透明分散体溶液中透明分散体为0.067wt％。在18mL透明分散体溶液中加入12g的丙烯酸和0.024g的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30min，得到第一溶液；
步骤2，将第一溶液倒入离心管，向离心管中通入氩气，以充分排出离心管内的空气，迅速密封离心管，将第一溶液在40±2℃的油浴中反应30h，反应过程中进行自由基聚合，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一圆柱体形细铁棒插入双网络水凝胶中，迅速拔出圆柱体形细铁棒，该圆柱体形细铁棒从双网络水凝胶中拉出长度为30cm的丝状双网络水凝胶，即得到水凝胶细丝，使水凝胶细丝静置100s；
步骤4，将水凝胶细丝的两端分别固定，可以通过一方形框架固定，固定时将水凝胶细丝的两端分别与方形框架的2个相对的边连接。使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在水凝胶细丝外。滴加乙醇，以使多壁碳纳米管薄膜黏附在水凝胶细丝的表面上，得到直径为35μm的碳纳米管水凝胶复合纤维；
步骤5，将N根碳纳米管水凝胶复合纤维平行设置(首尾对齐)组成碳纳米管水凝胶复合纤维组，用光学显微镜测量碳纳米管水凝胶复合纤维组的直径为dμm，将碳纳米管水凝胶复合纤维组的一端与一电机连接，另一端固定作为固定端，启动电机，对碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻，得到一根扭曲纤维，其中，扭曲纤维的加捻密度为6000转/米，在加捻过程中，碳纳米管水凝胶复合纤维组的长度不断缩短，需要调整电机输出轴与固定端的距离，防止碳纳米管水凝胶复合纤维组断裂；
步骤6，将扭曲纤维缠绕在一直径为D mm的细棒(细棒为毛细玻璃管)上且该根扭曲纤维的两端与细棒固定，于120℃加热10min，自然降至室温20～25℃，从细棒上取下扭曲纤维，得到弹簧形状的螺旋卷绕型人工肌肉。扭曲纤维在细棒上缠绕方向与碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相反(异手性结构，zs)，在细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离为δmm。
N、δ、d和D的数值见表4。
表4
Figure BDA0002305059140000071
将实施例1～14所得螺旋卷绕型人工肌肉的长度剪裁至5cm，从室温20～25℃、相对湿度为20％的环境下，分别移入不同相对湿度的环境下(温度不变)，用高速摄像机进行录像，逐帧进行数据分析。螺旋卷绕型人工肌肉在不同相对湿度下的拉伸行程如表5所示(拉伸行程为正表示螺旋卷绕型人工肌肉伸长，拉伸行程为负表示螺旋卷绕型人工肌肉缩短)。
表5
Figure BDA0002305059140000081
当环境湿度增大时，同手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉吸收水分，线圈之间的距离减小，螺旋卷绕型人工肌肉整体收缩，所以在制备同手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉时，δ需要保持一定的距离，使螺旋卷绕型人工肌肉完成有效的缩短形变量。相反，异手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉吸收水分，δ增大，导致螺旋卷绕型人工肌肉整体伸长，所以在制备异手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉时，尽量将扭曲纤维紧密缠绕在细棒上，从而得到螺旋卷绕型人工肌肉有效的伸长形变量。
设定弹簧指数为C＝D/d。
对于同手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉，实施例3所得螺旋卷绕型人工肌肉(弹簧指数为15)在相对湿度为80％的条件下进行驱动时，其长度变化最大，拉伸行程达到-95.7％。图2为实施例3所得螺旋卷绕型人工肌肉的致动性能测试结果图，测试环境温度为25℃，将螺旋卷绕型人工肌肉在相对湿度20％和相对湿度80％的环境中反复驱动3次，每次驱动为：将螺旋卷绕型人工肌肉在相对湿度80％的空气中放置8s，然后取出，于相对湿度20％的环境中放置7s。经过分析可知，实施例3所得螺旋卷绕型人工肌肉的收缩速率为13.67％S-1。
对于异手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉，实施例14所得螺旋卷绕型人工肌肉(弹簧指数为25)在相对湿度80％的条件下进行驱动时，其拉伸行程为2600％；实施例10所得螺旋卷绕型人工肌肉(弹簧指数为7.5)在相对湿度80％的条件下进行驱动时，其拉伸行程降低到800％。
实施例3、6～9为不同δ下获得的螺旋卷绕型人工肌肉，由表5可知，在δ＝1时获得最大拉伸行程。这是因为，当δ较小时，同手性结构的螺旋卷绕型人工肌肉不能进行充分的收缩致动；当δ逐渐增大时，螺旋卷绕型人工肌肉逐渐接近直线结构，收缩致动效果减弱。
图3中的同手性结构为实施例3所得螺旋卷绕型人工肌肉的循环性能测试结果图，异手性结构为实施例12所得螺旋卷绕型人工肌肉的循环性能测试结果图。由图可知，螺旋卷绕型人工肌肉反复在相对湿度为60％和室温的湿空气中驱动可达50次，且性能基本不变。每次驱动为：将螺旋卷绕型人工肌肉在相对湿度60％的环境中放置8s，然后取出于相对湿度20％的环境中放置至螺旋卷绕型人工肌肉回复到原长。
如图4所示，构建了一个房屋模型，将实施例3所得螺旋卷绕型人工肌肉为经线，将棉线作为纬线，采用传统的织布方法，制成智能窗帘并固定在窗户的顶部边缘(区域50mm×50mm)。从屋外模拟潮湿的气候，智能窗帘开始收缩到顶部边缘，即窗帘打开。当环境中的湿度降低时，执行器延伸到原始形状，使窗帘降落。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将1～4质量份数的乙烯基三乙氧基硅烷加入30～45质量份数的去离子水中，搅拌11～13h直至油状液滴完全消失，得到乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子的透明分散体，将透明分散体与水混合，得到透明分散体溶液，在16～18体积份数的所述透明分散体溶液中加入11～13质量份数的丙烯酸和0.023～0.025质量份数的过硫酸铵，在室温20～25℃搅拌30～40min，得到第一溶液；
步骤2，在惰性气体或氮气环境下，将所述第一溶液于38～42℃反应30～35h，得到双网络水凝胶；
步骤3，将一拉丝件插入所述双网络水凝胶中，拔出拉丝件以使该拉丝件从双网络水凝胶中拉出丝状双网络水凝胶，得到水凝胶细丝，使所述水凝胶细丝静置30～100s；
步骤4，将多壁碳纳米管薄膜围在所述水凝胶细丝外，滴加黏附液体，以使所述多壁碳纳米管薄膜黏附在所述水凝胶细丝的表面上，得到碳纳米管水凝胶复合纤维；
步骤5，将1～6根碳纳米管水凝胶复合纤维平行设置组成碳纳米管水凝胶复合纤维组，旋转碳纳米管水凝胶复合纤维组的一端，用于对所述碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻，得到一根扭曲纤维，其中，所述扭曲纤维的加捻密度为6000～7000转/米；
步骤6，将所述扭曲纤维缠绕在一细棒上且该根扭曲纤维的两端与所述细棒固定，于120～130℃加热10～15min，自然降至室温20～25℃，从细棒上取下所述扭曲纤维，得到弹簧形状的螺旋卷绕型人工肌肉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤6中，所述细棒的直径为1～1.5mm；
在所述步骤6中，在所述细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离为0.1～2.5mm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤6中，当所述扭曲纤维在细棒上缠绕方向与所述碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相同时，在所述细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离为0.5～2.5mm；当所述扭曲纤维在细棒上缠绕方向与所述碳纳米管水凝胶复合纤维组加捻的方向相反时，在所述细棒上相邻的扭曲纤维段之间的距离小于等于0.2mm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述透明分散体溶液中透明分散体为0.067～0.068wt％；
当所述质量份数的单位为g时，所述体积份数的单位为mL；
所述制备方法的操作环境为：温度20～25℃，相对湿度为20～30％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述黏附液体为乙醇。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜为从多壁碳纳米管阵列上拉出的薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，使多壁碳纳米管薄膜的长度方向与水凝胶细丝的长度方向平行并将多壁碳纳米管薄膜包覆在所述水凝胶细丝外。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜的宽度为5～6mm；
在所述步骤4中，所述碳纳米管水凝胶复合纤维的直径为30～35μm。
9.如权利要求1～8中任意一项所述制备方法获得的螺旋卷绕型人工肌肉。
10.如权利要求9所述螺旋卷绕型人工肌肉在窗帘中作为经线或纬线的应用。
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