一种湿响应羊毛人工肌肉的制备方法技术

一种湿响应羊毛人工肌肉的制备方法，取一根羊毛单股人工肌肉纱线的一端固定于旋转电机，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，在加捻过程中无捻度损失；羊毛单股人工肌肉纱线随着旋转电机提供捻度的增加而逐渐缩短，旋转电机施加的捻度范围在500

【技术实现步骤摘要】
一种湿响应羊毛人工肌肉的制备方法


[0001]本专利技术属于纤维状人工肌肉领域，特别涉及一种湿响应羊毛人工肌肉及其制备方法。

技术介绍

[0002]基于生物肌肉的制动机理，人工肌肉能够在多种刺激下，通过材料内部性质和结构的改变而触发伸缩、弯曲、束紧或膨胀行为，现已被应用于材料、化学、电气和生物工程等各个领域。其中，纤维状人工肌肉是在一个具有一定内部排列和强度的前体纤维上加入捻度来获得的，其性能优异，驱动方式多样，且易于编织，在开发具备形变、助力、孔隙调节等特点的功能织物具有独特优势。
[0003]就结构而言，纤维状人工肌肉的驱动行为主要包括单一的扭转驱动和伸缩驱动。一维低捻度的扭转人工肌肉可产生纱体扭转，但是大多结构不够稳定，且缺乏较好的弹性和拉伸性；随着捻度的增加，高度加捻的纱线和纤维能自发形成螺线管线圈的二维结构，可以实现伸缩响应驱动。
[0004]就材料而言，多种合成材料已被开发用于传统人工肌肉结构，主要包括人工高分子纤维，人工无机纤维以及复合人工肌肉纤维，但其大多来源稀缺、柔韧性差、制备复杂，有些甚至存在化学毒性。近年来，天然纤维由于具有舒适性、生态友好和低成本的优点，被作为一种新型的人工肌肉材料受到广泛关注。但是纯天然纤维也存在一些显而易见的缺点，如强度小，耐磨性差，不耐腐蚀和某些天然的缺陷，极大限制了其应用，采用物理、化学、生物等技术对天然纤维进行改性处理，可以改善其不足或者赋予材料以新的功能。羊毛纤维是一种天然优异的角蛋白纺织纤维，具有弹性好、耐沾污、耐磨性好、生物相容性等众多优良性能。羊毛纤维的结构包括鳞片层、皮质层和髓质层，其中鳞片层的表面存在着油脂和类脂物使其具有拒水性，但是，羊毛纤维表面鳞片的改性处理可以显著提高其亲水性，使其成为湿响应人工肌肉的备选材料。

技术实现思路

[0005]基于上述
技术介绍
，本专利技术的目的在于提供一种湿响应羊毛人工肌肉及其制备方法。
[0006]本专利技术的目的由以下技术方案予以实现。
[0007]一种羊毛人工肌肉的制备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1.1)取一根羊毛单股人工肌肉纱线的一端固定于旋转电机，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，所述负载为5
‑
20MPa，使其在加捻过程中无捻度损失；
[0009]步骤1.2)羊毛单股人工肌肉纱线随着旋转电机提供捻度的增加而逐渐缩短，不断调整平衡棒与固定端的距离防止其断裂，旋转电机施加的捻度范围在500
‑
1800捻/米之间；
[0010]步骤1.3)羊毛单股人工肌肉纱线在嵌入足够的捻度后停止加捻，将其于二分之一处对折并悬挂一负载，所述负载为20
‑
30MPa，释放后允许其自动捻合，待扭矩自平衡后得到
双螺旋结构的羊毛扭转人工肌肉。
[0011]一种羊毛人工肌肉的制备方法，包括如下步骤：
[0012]步骤2.1)取两根羊毛单股人工肌肉纱线，一端固定在旋转电机上，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，所述负载为5
‑
45MPa，使其长度可变化且不失去捻度；
[0013]步骤2.2)开启旋转电机，两根羊毛单股人工肌肉纱线随着捻度的增加不断形成螺线管的线圈结构，垂直长度逐渐缩短；
[0014]步骤2.3)两根羊毛单股人工肌肉纱线在嵌入足够的捻度后停止加捻，得到具有均匀螺旋线圈的羊毛伸缩人工肌肉，旋转电机施加的捻度范围在900
‑
1800之间。
[0015]一种制备羊毛多层级人工肌肉驱动器的制备方法，包括如下步骤：
[0016]步骤3.1)取步骤2.3)所得的一根具有均匀螺线管线圈结构的羊毛伸缩人工肌肉，一端固定在旋转电机上，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，所述负载为5
‑
45MPa，使其长度可变化且不失去捻度；
[0017]步骤3.2)开启旋转电机，在羊毛伸缩人工肌肉上嵌入一定的捻度后停止加捻，捻度范围在50
‑
150之间；
[0018]步骤3.3)将步骤3.2)中所述带有一定捻度的羊毛伸缩人工肌肉的两端固定，并从中间对折，悬挂一个的负载，所述负载为30
‑
60MPa，使其在负载作用下自动捻合，制备得到一种多层级羊毛人工肌肉；
[0019]步骤3.4)取步骤3.3)所述的一种羊毛多层级人工肌肉制备羊毛多层级人工肌肉驱动器。
[0020]一种制备羊毛单股人工肌肉纱线的方法，包括如下步骤：
[0021]步骤4.1)将羊毛纤维浸入次氯酸钠溶液中，随后加入盐酸，将浸于处理液的羊毛纤维置于超声波浴中进行处理；
[0022]步骤4.2)在步骤4.1)所述的羊毛纤维和处理液中加入溶于乙醇的纳米碳酸钙混合液，继续在超声波浴中处理；
[0023]步骤4.3)将步骤4.2)所述处理后的羊毛纤维经水洗并烘干，所得的超声波
‑
氧化态羊毛纤维手感柔软、吸湿性好；
[0024]步骤4.4)将步骤4.3)所述的超声波
‑
氧化态羊毛纤维放置在梳棉设备上进行开松，随后在并条机上梳理成条，经二并和三并后将羊毛纤维条进行粗纱工艺；
[0025]步骤4.5)将粗纱羊毛纤维条喂入细纱机，经络筒工艺后最终得到的羊毛单股人工肌肉纱线，细度范围为19
‑
25um，且具有较好的吸湿膨胀性和稳定的回复性能。
[0026]优选的是，本专利技术次氯酸钠溶液的浓度为0.1mol/L。
[0027]优选的是，本专利技术盐酸的浓度为3％。
[0028]优选的是，本专利技术超声波浴的处理温度设定为45
‑
50℃，时间为35min。
[0029]优选的是，本专利技术纳米碳酸钙混合液中纳米碳酸钙的质量分数为3％。
[0030]优选的是，本专利技术超声波浴的处理时间设定为40min。
[0031]优选的是，本专利技术次氯酸钠溶液、盐酸和纳米碳酸钙混合液的比例为15：12：20。
[0032]本专利技术所述一种羊毛多层级人工肌肉存在着自平衡的双螺旋结构，且具备较好的弹性和拉伸性，在湿刺激下可以实现扭转和伸缩的双响应行为。
[0033]本专利技术的优点和有益效果如下：
[0034]1.本专利技术以廉价易得、天然舒适的羊毛蛋白质纤维为原材料，降低了人工肌肉的物料成本；制备所得的羊毛人工肌肉具有较好的生物兼容性和环境友好性，避免了传统合成材料柔韧性差，制备复杂和存在潜在化学毒性的缺点，有助于进一步推动纤维状人工肌肉的类生物肌肉化和类人机器人的开发。
[0035]2.通过超声波辅助氧化处理羊毛纤维，提高了羊毛纤维的吸湿性、柔软性和抗毡缩的能力，结合纺织技术的纺纱工艺制备得到结构稳定的纤维状人工肌肉纱线，可实现人工肌肉的实际应用和规模生产。
[0036]3.本专利技术所制备的羊毛单股人工肌肉纱线具有高吸湿膨胀性，发掘了天然纺织材料在人工肌肉领域的应用潜力；本专利技术加工所得的羊毛扭转人工肌肉、羊毛伸缩人工肌肉和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种湿响应羊毛人工肌肉的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.1)取一根羊毛单股人工肌肉纱线的一端固定于旋转电机，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，所述负载为5
‑
20MPa，使其在加捻过程中无捻度损失；步骤1.2)羊毛单股人工肌肉纱线随着旋转电机提供捻度的增加而逐渐缩短，不断调整平衡棒与固定端的距离防止其断裂，旋转电机施加的捻度范围在500
‑
1800捻/米之间；步骤1.3)羊毛单股人工肌肉纱线在嵌入足够的捻度后停止加捻，将其于二分之一处对折并悬挂一负载，所述负载为20
‑
30MPa，释放后允许其自动捻合，待扭矩自平衡后得到双螺旋结构的羊毛扭转人工肌肉。2.一种湿响应羊毛人工肌肉的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤2.1)取两根羊毛单股人工肌肉纱线，一端固定在旋转电机上，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，所述负载为5
‑
45MPa，使其长度可变化且不失去捻度；步骤2.2)开启旋转电机，两根羊毛单股人工肌肉纱线随着捻度的增加不断形成螺线管的线圈结构，垂直长度逐渐缩短；步骤2.3)两根羊毛单股人工肌肉纱线在嵌入足够的捻度后停止加捻，得到具有均匀螺旋线圈的羊毛伸缩人工肌肉，旋转电机施加的捻度范围在900
‑
1800之间。3.根据权利要求2所述的湿响应羊毛人工肌肉的制备方法，其特征在于制备羊毛多层级人工肌肉驱动器包括如下步骤：步骤3.1)取步骤2.3)所得的一根具有均匀螺线管线圈结构的羊毛伸缩人工肌肉，一端固定在旋转电机上，另一端悬挂一带有平衡棒的负载，所述负载为5
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45MPa，使其长度可变化且不失去捻度；步骤3.2)开启旋转电机，在羊毛伸缩人工肌肉上嵌入一定的捻度后停止加捻，捻度范围在50
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150之间；步骤3.3)将步骤3.2)中所述带有一定捻度的羊毛伸缩人工肌肉的两端固定，并从中间对折，悬挂一个的负载，所述负载为30
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【专利技术属性】
技术研发人员：薛文良，李可，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：