螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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。回复到原始状态。回复到原始状态。

【技术实现步骤摘要】
螺旋卷绕型人工肌肉及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于人工肌肉
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法。
[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。
[0008]一种螺旋卷绕型人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：
[0009]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；
[0010]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％。
[0011]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。
[0012]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；
[0013]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；
[0014]在所述步骤3中，所述拉丝件为一棒体。
[0015]在所述步骤3中，所述水凝胶细丝的长度为30～35cm。
[0016]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；
[0017]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。
[0018]在所述步骤4中，所述黏附液体为乙醇。
[0019]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。
[0020]在所述步骤4中，所述多壁碳纳米管薄膜的宽度为5～6mm。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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；
[0024]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。
[0025]在所述步骤6中，所述细棒的直径为1～1.5mm。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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％。
[0029]上述制备方法获得的螺旋卷绕型人工肌肉。
[0030]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。
[0031]本专利技术的有益效果如下：
[0032]1.本专利技术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。
[0033]2.本专利技术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。
[0034]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，本专利技术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
[0035]图1是本专利技术的螺旋卷绕型人工肌的结构示意图；
[0036]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；
[0037]图3为螺旋卷绕型人工肌肉的循环性能测试结果图；
[0038]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
[0039]下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。
[0040]表1实施例中所涉及药品的来源
[0041][0042]表2实施例中所涉及仪器的型号
[0043][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：印寿根，由程炜，刘遵峰，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：