一种中空纤维驱动器及其制备方法及在微流体操控中的应用技术

一种中空纤维驱动器及其制备方法及在微流体操控中的应用，属于柔性驱动材料领域，可通过感测输送液体的温度控制液体流出位置。中空纤维经过加捻后，热退火后固定该形状，一端连接流体入口，充入热流体，所述热流体可以是水或其他液体；中空纤维驱动器通入热流体时即发生轴向旋转或伸长/收缩，常温流体冷却时立即复原，可通过控制热流体温度调节旋转伸缩程度，具有高驱动行程(87.5％)、快速响应速度(0.88s)和高温度灵敏度(0.5℃温度变化时旋转20

【技术实现步骤摘要】
一种中空纤维驱动器及其制备方法及在微流体操控中的应用


[0001]本专利技术属于柔性驱动材料领域，具体是一种螺旋型中空纤维驱动器的制备 方法及其在区分不同温度液体的微流体操控中的应用。

技术介绍

[0002]微流体操控能够精确输送微量液体，是现代医疗诊断、化学合成、生物传 感及分析中应用广泛的一项技术。精确传感并控制流体的流量及输送流体的温 度、浓度等一系列参数以满足微量反应的反应要求是其中的一项关键问题。传 统的微流体操控装置需要外置电机和传感器等多种器件以满足液体输送和筛选 的需求，因此难以适用于封闭装置中的狭小空间；此外，由于输送液体的高流 速，需要快速感应和控制。因此，获得流过微管的微量液体的实时数据和快速 操纵流体的紧凑型多功能微流体系统是一项挑战。
[0003]近年来，刺激响应材料代替传统电机与微孔道结合，实现了微流体控制。 用于微流控的典型驱动材料包括磁性或电活性材料、水凝胶和液晶聚合物，它 们受磁场、电场、光、温度或pH控制。磁、电和光刺激总是需要额外的设备， 而水凝胶受到机械强度低、驱动力弱和响应时间长的限制。此外，这些响应材 料总是需要特定的化学组分或复杂的制备程序，这与使用普通管材的现有微流 体系统不兼容。因此，非常需要通过使用现有的商业管材料开发一种类似于实 时传感和操纵传输流体的微流体操控技术。
[0004]捻曲状纤维可以通过体积膨胀产生旋转和拉伸驱动，显示出较大的驱动行 程和驱动应力，由其制备的多种可逆/不可逆驱动器在软体机器人和智能控制方 面均呈现了广阔的应用潜力。但作为衡量捻曲纤维驱动能力重要参数，由加捻 产生的扭转角α
f
＝tan
‑1(πdT)(T:加捻密度，r:纤维直径)总是表现出纤维表面比 纤维中心更高的性质，因此常见的实心纤维因存在扭转角接近于零的芯部而造 成纤维实际扭转角小，从而限制了其驱动行程和的单位质量驱动力。其次，热 响应驱动器响应时间高度依赖于聚合物纤维中的热传递速率，增加热对流方式 的传热系数，增大纤维的比表面积及减小纤维直径等方法均可有效改善响应时 间，但现有固体纤维因热传递的比表面积小、空气对流传热系数小而驱动速率 较低，且流体驱动固体纤维对于应用场景及驱动介质回收仍然存在问题。因此， 利用中空纤维结构可有效提高从液体到驱动器的热传递，从而提高驱动器的响 应速率。并将微流体传输与驱动更好地结合。
[0005]除此之外，虽然可逆驱动因其高循环寿命而备受期待，但在心脏支架等智 能材料制造领域，一次性驱动器也是不可或缺的组成部分。通过不同的制造方 式将一次性和可逆驱动完全与一种软材料结合起来，可在智能材料和设备领域 提供新趋势，并在生物医学、传感器和探测器、可穿戴设备和软机器人等广泛 领域提供灵感。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要目的为了解决狭小空间内微流体实时温度感测和传输的问题， 以及针对常规驱动器响应速度慢、驱动行程小、做功能力差、功率密度低以及 价格昂贵等问题，
本专利技术使用螺旋中空纤维驱动器，提供了一种可以感测液体 温度并对液体进行分选的紧凑型微流体操控系统，通过感测输送液体的温度来 控制流出位置。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0008]一种中空纤维驱动器，选取通用聚合物材料中空纤维作为制备驱动器的原 材料。该类材料具有价格低廉，容易获取，性质稳定等优势，能够良好的保证 驱动器的机械性能。所述中空纤维(1)材料适用于现有各类聚合物材料，包括但 不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚 乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丙烯腈(PAN)、聚碳酸酯(PC)、聚偏二氟 乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、热塑性 弹性体(TPU)、聚氨酯(PU)、液晶聚合物(LCP)、水凝胶等任一聚合物材料。
[0009]本专利技术所述中空纤维驱动器包括中空纤维扭转驱动器及中空纤维伸缩驱动 器两种，二者均由聚合物中空纤维经加捻形成的捻曲纤维制备得到。将具有捻 曲结构的所述扭转驱动器绕实心柱形成螺旋结构可得到中空纤维伸缩驱动器。
[0010]进一步地，上述中空纤维作为扭转驱动器的制备方法包括以下步骤：
[0011]步骤一：加捻前，将直径略小于中空纤维内径的金属丝插入纤维内作为内 部支撑，防止加捻过程中芯部中空结构坍塌。
[0012]步骤二：将中空纤维的顶端与步进电机相连，底端负载一定重量的重物以 保证纤维处于张紧状态。在加捻过程中，束缚纤维底端以避免捻度释放。用于 支撑的金属丝在加捻过程中未被固定，以保证其在样品制备后容易移除。
[0013]步骤三：将步骤二中的纤维两端固定并加热退火一段时间定形。
[0014]步骤四：将步骤三中的纤维冷却至室温并去除内部金属丝后得到扭转中空 纤维驱动器。具体工艺参数依聚合物纤维的种类与特性而定。
[0015]进一步地，所述中空聚合物纤维经加捻固定后内部形成捻曲结构，当对具 有捻曲结构聚合物中空纤维中通入流动的热流体时，纤维发生旋转。中空纤维 驱动器通过热流体产生旋转表明其感测温度并对微流体进行扭转操纵的可能性。
[0016]进一步地，所述中空纤维作为可逆伸缩驱动器的制作步骤包括：
[0017]步骤1：加捻前，将直径略小于中空纤维内径的金属丝插入纤维内，作为内 部支撑。
[0018]步骤2：含中空纤维的顶端与步进电机相连，其底端负载一定重量的重物以 保证纤维处于张紧状态。在加捻过程中，束缚纤维底端以避免捻度释放。用于 固定的金属丝在加捻过程中未被固定，以保证其在样品制备后容易移除。
[0019]步骤3：通过将步骤2得到的纤维螺旋盘绕在一中心轴上，依据盘绕方向与 加捻方向的异同区分为同手性螺旋(盘绕方向与加捻方向相同)及异手性螺旋 (盘绕方向与加捻方向不同)。为保证较大的驱动行程为了获得大的驱动行程， 螺旋盘绕时同手性纤维驱动器需要大的纤维间距以允许螺旋收缩，异手性纤维 驱动器则需要纤维紧密贴合以允许线圈伸展。
[0020]步骤4：将步骤3中的纤维形状固定并加热退火一段时间定形。
[0021]步骤5：将步骤4中的纤维冷却至室温并去除内部金属丝后得到伸缩中空纤 维驱动器。具体工艺参数依聚合物纤维的种类与特性而定。
[0022]进一步的，前述中空纤维驱动器通过连续切换高低温流体驱动，在不同的 负载应
力下重复驱动。
[0023]进一步的，根据扭转角公式α
f
＝tan
‑1(πdT)(T:加捻密度，r:纤维直径)，通 过增加加捻密度及减小纤维鞘在纤维中占比，使纤维获得更大的有效扭转角， 进而提高中空纤维驱动器的做功能力。
[0024]进一步的，对流动液体和中空纤维之间的热传递进行热机械建模，量化旋 转和拉伸中空纤维执行器与驱动温度及制备过程各项参数的关系，并以此指导 中空纤维驱动器用于精确微流体操控的设计和驱动机制研究。确定中空纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述中空纤维驱动器由聚合物中空纤维(3)经加捻形成的捻曲纤维制备得到，包括中空纤维扭转驱动器(1)及中空纤维伸缩驱动器(2)两种，将具有捻曲结构的中空纤维扭转驱动器(1)绕实心柱形成螺旋结构进一步得到中空纤维伸缩驱动器(2)；所述中空纤维驱动器经热退火定型，在静止状态下不自发解螺旋，其中空结构不塌缩；所述中空纤维驱动器通过中空腔体内部充入热流体实现轴向旋转或伸缩，改变退火温度与驱动热流体温度间关系可调整驱动方式为可逆或不可逆驱动。2.根据权利要求1所述的中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述中空纤维扭转驱动器(1)的制备步骤包括：步骤一：将直径稍小于中空纤维内径的金属丝(4)作为支撑物插入聚合物中空纤维(3)内部，形成金属丝与聚合物的复合纤维(5)；步骤二：将步骤一中得到的复合纤维(5)一端连接于步进电机，另一端垂直固定，并负载一定重量的重物以保证纤维处于张紧状态，进行加捻，形成纤维壁捻曲的复合纤维；步骤三：将步骤二所述纤维固定并进行热退火处理，具体操作为将聚合物纤维加热至室温与软化点温度范围内任一温度并保持一段时间；步骤四：冷却，将金属丝(4)从聚合物纤维(3)中抽出，获得所述驱动器(1)。3.根据权利要求1所述的中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述中空纤维伸缩驱动器(2)的制备步骤包括：步骤1：将直径稍小于中空纤维内径的金属丝(4)插入聚合物中空纤维(3)内部，形成金属丝与聚合物的复合纤维(5)；步骤2：将步骤1中得到的复合物(5)的一端固定，另一端连接于步进电机进行加捻；步骤3：将步骤2中捻曲的复合纤维盘绕一中心棒形成螺旋结构并固定；步骤4：将步骤3所述纤维固定并进行热退火处理，具体操作为将聚合物纤维加热至室温与软化点温度范围内任一温度并保持一段时间；步骤5：冷却，将金属丝(4)从聚合物纤维(3)中抽出，获得所述驱动器(2)。4.根据权利要求3所述的中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述伸缩驱动的伸缩方向可通过改变步骤3中螺旋盘绕方向与加捻方向的异同改变，盘绕方向与加捻方向相同的驱动器受热发生收缩运动，盘绕方向与加捻方向相反的驱动器受热发生伸长运动。5.根据权利要求1所述的中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述驱动可通过改变热退火温度和驱动温度调整驱动方式为可逆或不可逆驱动。6.根据权利要求1所述的中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述中空纤维驱动器的响应速度、做功能力及驱动行程可通过改变加捻密度、驱动温度进行调整，并根据螺旋方向的不同而纵向收缩或伸长并旋转。7.根据权利要求1所述的中空纤维驱动器的制备方法，其特征在于，所述驱动器旋转伸缩运动可通过对流动液体和中空纤维之间的热传递进行热机械建模得到驱动行程加捻密度、驱动温度间关系，所述热机械建模的步骤包括：Step1：通过内部流动液体的强制对流和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘遵峰，邸亚，李思彤，韩自强，邹磊，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：