一种制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的挤压成型装置及方法与流程

1.本发明涉及柔性驱动器领域，具体涉及用于制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的挤压成型装置及方法。


背景技术：

2.热敏聚合物人工肌肉纤维丝是由高分子材料高温熔融制作而成，热敏聚合物人工肌肉纤维丝是一种新型聚合物热致收缩柔性驱动器，单根热敏聚合物人工肌肉纤维丝可通过感知外界环境温度的变化产生收缩和舒展运动，多根热敏聚合物人工肌肉纤维丝捻卷制成的柔性驱动器具有高柔韧性、变形量大、迟滞小、无噪声、高功率质量比等优点，可广泛应用在仿生机器人、康复机器人等方面。传统的热敏聚合物人工肌肉纤维丝的制备方法广泛采用熔融拉丝法，即将制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的各种高分子原材料先加热至熔融状态，冷却固化后形成板材，再把高分子板材叠加在一起，进行加热熔融、挤压拉丝形成纤维丝。此制备过程中，固体状高分子板材叠加进行熔融，存在贴合不够紧密，熔融渗透不够彻底等问题，影响热敏聚合物人工肌肉纤维丝性能。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决上述热敏聚合物人工机构纤维丝制备方法中的熔融渗透率较低的问题，提供了一种制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝丝的挤压成型装置及方法，采用电动推杆、加热容器、加热环和y型三通结构等，对各自处于熔融状态下的高分子材料进行熔融挤压，增强了两种高分子材料之间的相互渗透，并增加两种高分子材料之间的相互粘着力。
4.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
5.一种制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的挤压成型装置，包括铝型材支撑结构和安装在铝型材支撑结构上的电动推杆及加热容器，所述的铝型材支撑结构通过辅助件安装固定，构成整个挤压成型装置的整体框架；所述的电动推杆安装在铝型材支撑结构上部，所述的加热容器安装在铝型材支撑结构上电动推杆的下方，所述的电动推杆与加热容器呈垂直布置；所述的加热容器包括左端加热容器、右端加热容器和与左端加热容器、右端加热容器均连通的底部加热容器，三者通过y型三通结构连接成整体；放入加热容器的初始材料先分别在左端加热容器、右端加热容器内各自加热熔融，再进入底部加热容器进行融合，所述底部加热容器下端连接针管，用于挤出熔融混合后的纤维丝。
6.进一步的，在加热容器表面安装有加热环，其中左端加热容器、右端加热容器的表面各安装有两个加热环用于分段加热；在底部加热容器的表面安装有一个加热环，用于温度保持，保证材料在底部加热容器内部的充分熔融混合，避免材料过早的冷却固化。
7.通过电动推杆、加热容器和加热环的相互配合实现对分别放于左端加热容器、右端加热容器的两种初始材料在不同的温区内的同时充分加热熔融，再通过y型三通结构将两种形成熔融状态的材料在底部加热容器内进行充分熔融混合，以增大不同材料间的渗透和粘着程度，最后由针管挤压出纤维丝。
8.进一步的，所述的外部铝型材支撑结构通过辅助件安装固定在工作台上，并在工作台上设有张力传感器和导向轮，所述的张力传感器和导向轮用于实现对由针管挤压出纤维丝的拉丝及卷绕。
9.进一步的，设有温度控制器，所述温度控制器分别连接各个加热环，用于精确控制加热环的加热时间和加热温度，确保达到满足各初始材料充分熔融的时间和温度。
10.所述的加热容器及y型三通结构通过立式轴承座安装于外部铝型材支撑结构上。
11.作为优选的方案,所述的左端加热容器、右端加热容器和底部加热容器上分别设有用于安装固定的连接件。
12.本发明还公开了一种制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的挤压成型方法，采用上述的装置，在加热容器内放入初始材料，通过温度控制器对各个加热环的加热温度、加热时间的控制达到分段加热，使初始材料经过不同温区的加热实现充分熔融；通过控制电动推杆在加热容器内部的升降运动，使电动推杆下方的接头挤压左端加热容器、右端加热容器内部的材料，达到对熔融状态材料挤压，并通过外部的铝型材支撑结构承受电动推杆挤压材料时的作用力；在电动推杆的挤压作用下在y型三通结构下端的底部加热容器内部实现不同材料的熔融混合、互相渗透；最后由针管挤出，形成热敏聚合物人工肌肉纤维丝。
13.本发明的有益效果是：
14.本发明通过y型三通结构实现了在加热容器内将不同的高分子材料在各自处于熔融状态下挤压再进行混合的新型工艺方法。首先将两种高分子材料分别在各自的加热容器内高温加热使之处于熔融状态，再通过y型三通结构将两种高分子材料熔融混合，最后挤压拉丝制成热敏聚合物人工肌肉纤维丝，是一种全新的制备人工肌肉纤维丝的装置。
15.本发明通过温度控制器和加热环的配合，不仅较为精确的控制了加热过程中熔融的温度和时间，而且通过挤压和熔融混合的方式显著增强了不同材料之间相互渗透和粘着的程度，有效提升了人工肌肉纤维丝的性能。
附图说明
16.图1：制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的挤压成型装置的结构示意图。
17.图2：分段加热示意图。
18.图中：1
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铝型材支撑结构，2
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电动推杆，3
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左端加热容器，4
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右端加热容器，5
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底部加热容器，6
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加热环，7
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y型三通结构，8
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针管，9
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张力传感器，10
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导向轮，11
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温度控制器，12
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立式轴承座，13
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连接件。
19.具体实施措施
20.以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
21.其中的方位或位置关系为基于附图所示的关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.如图1所示，一种制备热敏聚合物人工肌肉纤维丝的挤压成型装置，包括铝型材支撑结构1和安装在铝型材支撑结构1上的电动推杆2及加热容器，铝型材支撑结构1通过辅助
件安装固定，构成整个挤压成型装置的整体框架；电动推杆2安装在铝型材支撑结构1上部，加热容器安装在铝型材支撑结构1上电动推杆2的下方，电动推杆2与加热容器呈垂直布置；加热容器包括左端加热容器3、右端加热容器4和与左端加热容器3、右端加热容器4均连通的底部加热容器5，三者通过y型三通结构7连接成整体；放入加热容器的初始材料先分别在左端加热容器3、右端加热容器4内各自加热熔融，再进入底部加热容器5进行融合，所述底部加热容器5下端连接针管8，用于挤出熔融混合后的纤维丝。
23.在加热容器表面安装有加热环6，其中左端加热容器3、右端加热容器4的表面各安装有两个加热环用于分段加热；在底部加热容器5的表面安装有一个加热环，用于温度保持，保证材料在底部加热容器5内部的充分熔融混合，避免材料过早的冷却固化。
24.通过电动推杆2、加热容器和加热环的相互配合实现对分别放于左端加热容器3、右端加热容器4的两种初始材料在不同的温区内的同时充分加热熔融，再通过y型三通结构将两种形成熔融状态的材料在底部加热容器5内进行充分熔融混合，以增大不同材料间的渗透和粘着程度，最后由针管8挤压出纤维丝。
25.外部铝型材支撑结构1通过辅助件安装固定在工作台上，并在工作台上设有张力传感器9和导向轮10，张力传感器9和导向轮10用于实现对由针管8挤压出纤维丝的拉丝及卷绕。
26.实施例中，设有温度控制器11，所述温度控制器11分别连接各个加热环，用于精确控制加热环的加热时间和加热温度，确保达到满足各初始材料充分熔融的时间和温度。
27.加热容器及y型三通结构7通过立式轴承座12安装于外部铝型材支撑结构1上。
28.左端加热容器3、右端加热容器4和底部加热容器5上分别设有用于安装固定的连接件13。
29.该装置的实施方法为：在加热容器内放入初始材料，通过温度控制器12对各个加热环的加热温度、加热时间的控制达到分段加热，使初始材料经过不同温区的加热实现充分熔融；通过控制电动推杆2在加热容器内部的升降运动，使电动推杆2下方的接头挤压左端加热容器3、右端加热容器4内部的材料，达到对熔融状态材料挤压，并通过外部的铝型材支撑结构1承受电动推杆2挤压材料时的作用力；在电动推杆2的挤压作用下在y型三通结构7下端的底部加热容器5内部实现不同材料的熔融混合、互相渗透；最后由针管8挤出，形成热敏聚合物人工肌肉纤维丝。
30.本发明是一种制备人工肌肉纤维丝的挤压成型装置，以铝型材支撑结构为框架，辅之以电动推杆、加热容器和加热环实现对材料挤压和分段加热的目的，并借助温度控制器较为精确的掌控材料加工的温度，最后在y型三通结构的帮助下显著增强了不同材料之间相互渗透和粘着的程度，有效提升了人工肌肉纤维丝的性能。
31.实施例1
32.本实施例提供一种人工肌肉纤维的制备方法，包括以下步骤：
33.(1)将两种高分子原料高密度聚乙烯(pe)和环状烯烃类树脂(coce)分别置于80℃、100℃的烘箱中10h，减少复合过程中水分引起的热降解；
34.(2)将颗粒状的pe和coce原材料分别放入平板硫化机中，设置平板硫化机的加热温度，进行高温高压的熔融，然后冷却成型为板状。将板状的pe和coce放置于碾压机，对两种板材分别进行反复碾压使之变薄。
35.(3)取出经过碾压的两种板材并分别放置于左端加热容器3、右端加热容器4中，两加热容器外部分别安装有三个加热环，设置三个加热环的加热温度分别为：顶部150℃、中间300℃、底部150℃。通过伺服电机和减速器控制推进机构确保材料在加热容器中缓慢向底端运动，速度设定为0.5mm/min。
36.(4)两种材料经三个加热区域均匀加热后在推杆的挤压下通过y型三通结构进入底部加热容器5中，设置底部加热容器5上的加热环加热温度为250℃，防止材料冷却固化，最后加热熔融后的材料通过底部加热容器5下端的针管挤出，控制拉伸速度为2m/min，拉伸过程中由张力传感器控制纤维内产生70～100mn的张力。
37.实施例2
38.本实施例提供一种人工肌肉纤维的制备方法，包括以下步骤：
39.(1)将两种高分子原料高密度聚乙烯(pe)和环状烯烃类树脂(coce)分别置于80℃、100℃的烘箱中10h，减少复合过程中水分引起的热降解；
40.(2)将颗粒状的pe和coce原材料分别放入平板硫化机中，设置平板硫化机的加热温度，进行高温高压的熔融，然后冷却成型为板状。将板状的pe和coce放置于碾压机，对两种板材分别进行反复碾压使之变薄。
41.(3)取出经过碾压的两种板材并分别放置于左端加热容器3、右端加热容器4中，两加热容器外部分别安装有三个加热环，设置三个加热环的加热温度分别为：顶部150℃、中间300℃、底部150℃。通过伺服电机和减速器控制推进机构确保材料在加热容器中缓慢向底端运动，速度设定为1mm/min。
42.(4)两种材料经三个加热区域均匀加热后在推杆的挤压下通过y型三通结构进入底部加热容器5中，设置底部加热容器5上的加热环加热温度为250℃，防止材料冷却固化，最后加热熔融后的材料通过底部加热容器5下端的针管挤出，控制拉伸速度为2m/min，拉伸过程中由张力传感器控制纤维内产生70～100mn的张力。
43.实施例3
44.本实施例提供一种人工肌肉纤维的制备方法，包括以下步骤：
45.(1)将两种高分子原料高密度聚乙烯(pe)和环状烯烃类树脂(coce)分别置于80℃、100℃的烘箱中10h，减少复合过程中水分引起的热降解；
46.(2)将颗粒状的pe和coce原材料分别放入平板硫化机中，设置平板硫化机的加热温度，进行高温高压的熔融，然后冷却成型为板状。将板状的pe和coce放置于碾压机，对两种板材分别进行反复碾压使之变薄。
47.(3)取出经过碾压的两种板材并分别放置于左端加热容器3、右端加热容器4中，两加热容器外部分别安装有三个加热环，设置三个加热环的加热温度分别为：顶部150℃、中间300℃、底部150℃。通过伺服电机和减速器控制推进机构确保材料在加热容器中缓慢向底端运动，速度设定为1mm/min。
48.(4)两种材料经三个加热区域均匀加热后在推杆的挤压下通过y型三通结构进入底部加热容器5中，设置底部加热容器5上的加热环加热温度为250℃，防止材料冷却固化，最后加热熔融后的材料通过底部加热容器5下端的针管挤出，控制拉伸速度为2m/min，拉伸过程中由张力传感器控制纤维内产生70～100mn的张力。
49.本发明的实施例中，将两种高分子材料聚乙烯(pe)与环状烯烃类树脂(coce)经过
熔融混合挤压、最后拉丝而成的聚合物纤维丝。采用本发明的装置及方法也可应用于其他高分子材料。
50.由上述方法制备的热敏聚合物人工肌肉纤维丝，根据其应用需求，可制成直径约为0.1mm～0.6mm的不同类型的纤维丝。此热敏聚合物人工肌肉纤维丝在加热过程中的驱动应变范围约为5％
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15％。此热敏聚合物人工肌肉纤维丝的输出驱动力具有随着加热温度增加而变大的趋势，其变化范围约为5％～10％。此热敏聚合物人工肌肉纤维丝在加热温度40℃左右时，即可呈现出较为明显的形变量，在加热温度低于纤维丝熔融温度范围内，反复加热过程中其应力应变也无明显的下降趋势。
51.以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。