一种以碳纤维为基底的PH响应人工肌肉的制备方法与流程

一种以碳纤维为基底的ph响应人工肌肉的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种人工肌肉，特别涉及一种以碳纤维为基底的ph响应人工肌肉的制备方法。


背景技术：

2.人工肌肉是仿生机器人实现的重要器件。传统机器人通常以内燃机、电机或气动装置作为动力装置，而生物体则是以肌肉纤维作为动力装置，因此科学家通过仿生手段希望获得通过外界刺激下可以发生伸缩或旋转效果的人工肌肉。高性能的人工肌肉将大大推动更加小巧灵活的仿生机器人、假肢等领域的发展。
3.目前常用的人工肌肉材料包括形状记忆合金、刺激响应性高分子、碳纳米复合材料、电活性材料等；其驱动方式包括电热驱动、光驱动、电化学驱动、化学驱动等。基于碳纳米材料的人工肌肉往往价格昂贵限制其应用发展；基于尼龙的高分子纤维人工肌肉，可以通过大体积热膨胀和各向异性，实现了可逆的纤维方向热收缩，但是热驱动往往能量转换效率低下，远不如电机直接驱动。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种以碳纤维为基底的ph响应人工肌肉的制备方法，具体步骤如下：
5.(1)从原纤维束中分离出直径为0.2-0.5mm，长度15-25cm的纤维束，通过对表面喷洒乙醇溶液进行处理，整理并去除纤维束表面杂乱突起部分，获得表面光洁整齐的碳纤维束；
6.(2)将所得碳纤维束两端固定，垂直挂起后加以4-10mpa的垂直应力，同时对纤维束喷洒乙醇充分拉伸碳纤维束，以4-10mpa的垂直应力持续作用纤维束6-8h；两端固定的碳纤维束长度为5-20cm。
7.(3)在10ml去离子水中，加入2g含有-cooh官能团的单体，0.2g含有-nh2官能团的单体，0.008g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(bis)，0.5g pluroncif127制得超多孔水凝胶前驱体溶液。
8.含有-cooh官能团的单体为：丙烯酸或甲基丙烯酸；含有-nh2官能团的单体为：丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺，或n-异丙基丙烯酰胺。
9.(4)所得的前驱体溶液充分溶解后加入氧化还原引发剂对0.04g n,n,n',n'-四亚甲基二胺(temed)和50g过硫酸铵(aps)，temed同时添加到前驱体溶液中，aps在聚合时加入溶液中，加入引发剂180秒后加入50mg碳酸氢钠，用刮刀将试管内的溶液充分融合，使碳酸氢钠均匀分布在试管内；
10.(5)将ph响应聚合物的混合溶液均匀滴覆在拉伸处理后的竖直纤维束上，在18-28℃常温状态下，静置15-20min引发聚合；
11.(6)初步引发聚合的复合纤维置于-60℃冷冻干燥箱中冷冻6-8h充分低温交联，然
后冷冻干燥，形成冷干状态的聚合物复合碳纤维，即得到气凝胶复合碳纤维。
12.(7)将冷干后的复合纤维负载10-50mpa进行加捻，插入圈数通常为1000-2800turns/m，制得冷干状态下人工肌肉；
13.(8)人工肌肉浸入0.1m的nacl聚合物激活溶液中8-12h，使负载凝胶充分溶胀激活，所得纤维即为碳纤维为基底的ph响应人工肌肉。
14.与现有技术相比，本发明提供了一种全新的以碳纤维为基底的ph响应的人工肌肉，碳纤维基底为ph响应的聚合物提供了依附“骨架”，大大提升了聚合物的机械强度和使用寿命；聚合物通过缠绕纤维，获得了较大的表面积，在酸碱环境切换时该人工肌肉具有较快的响应速度；通过加捻纤维得到的螺旋手性结构，使聚合物体积相变产生的力具有一定的方向性。相比于纯聚合物制动器来说，该人工肌肉无论是从力学性能还是致动速率都具有较大的提升；相比于其他仿生人工肌肉来说，该人工肌肉更倾向于直接将化学能转化成机械能，具有较高的能量转化效率，贴合仿生机器人的理念。
附图说明：
15.图1是本发明制备的ph响应人工肌肉的结构示意图；
16.图2是本发明实施例1制备的ph响应人工肌肉在不同负载下的拉伸收缩性能图；
17.图3是本发明实施例1制备的ph响应人工肌肉的拉伸收缩循环图；
18.图4为对比实施例1制备的高温引发的ph响应人工肌肉在不同负载下的拉伸收缩性能图；
19.图5为对比实施例2制备的高温引发的ph响应人工肌肉在不同负载下的拉伸收缩性能图。
具体实施方式
20.下面结合具体的实施例，对本发明进行详细的说明。
21.实施例1
22.从商业碳纤维束中分离出直径为0.2mm，长度为15cm的碳纤维束，在所得碳纤维束表面喷洒无水乙醇去除多余纤维，形成表面光洁整齐的碳纤维束；
23.将所得碳纤维束两端固定长度为8cm，垂直挂起并对碳纤维束增加4mpa的垂直力，同时对表面再次喷洒酒精，充分拉伸纤维束后，静置12h；
24.在10ml去离子水中，加入2g丙烯酸(aa)，0.2g丙烯酰胺(am)，0.008gn，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(bis)，0.5g pluroncif127，制备超多孔水凝胶前驱体溶液；
25.所得的前驱体溶液采用去离子水充分溶解后加入氧化还原引发剂对0.04gn,n,n',n'-四亚甲基二胺(temed)和50g过硫酸铵(aps)，temed同时添加到前驱体溶液中，aps在聚合时加入溶液中，加入引发剂后180秒后加入50mg的碳酸氢钠(造孔剂)，用刮刀将试管内的溶液充分融合，使碳酸氢钠均匀分布在试管内；
26.将上述溶液-凝胶法制得的混合溶液滴涂(至完全浸润)在垂直挂立的纤维束上，在常温下静置引发聚合15min；
27.将聚合物负载的复合碳纤维在-60℃下冷冻6h，然后冷冻干燥48h，得到气凝胶复合纤维；
28.将所得的冷干聚合物复合纤维在25mpa负载下，通过单端固定的加捻方式，形成插入数为2000turns/m的螺旋结构复合纤维；
29.将加捻好的复合纤维浸入0.1m nacl溶液中充分溶胀8h，形成ph响应的人工肌肉。
30.实施例2
31.从商业碳纤维束中分离出直径为0.3mm，长度为20cm的碳纤维束，在所得碳纤维束表面喷洒无水乙醇去除多余纤维，形成表面光洁整齐的碳纤维束；
32.将所得碳纤维束两端固定后长度为15cm，垂直挂起并对碳纤维束增加8mpa的垂直力，同时对表面再次喷洒酒精，充分拉伸纤维束后，静置12h；
33.在10ml去离子水中，加入2g甲基丙烯酸，0.2g甲基丙烯酰胺，0.008g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(bis)，0.5g pluroncif127，制备超多孔水凝胶前驱体溶液；
34.所得的前驱体溶液充分溶解后加入氧化还原引发剂对0.04g n,n,n',n'-四亚甲基二胺和50g过硫酸铵(aps)，temed同时添加到前驱体溶液中，aps在聚合时加入溶液中，加入引发剂后180秒后加入50mg的碳酸氢钠，用刮刀将试管内的溶液充分融合，使碳酸氢钠(造孔剂)均匀分布在试管内；
35.将溶液-凝胶法制得的混合溶液滴涂在垂直挂立的纤维束上，在常温下静置引发聚合15min；
36.将聚合物负载的复合碳纤维在-60℃下冷冻8h，然后冷冻干燥48h，得到气凝胶复合纤维；
37.将所得的冷干聚合物复合纤维在35mpa负载下，通过单端固定的加捻方式，形成插入数为2499turns/m的螺旋结构复合纤维；
38.将加捻好的复合纤维浸入0.2m nacl溶液中充分溶胀12h，形成ph响应的人工肌肉。
39.实施例3
40.从商业碳纤维束中分离出直径为0.4mm，长度为12cm的碳纤维束，在所得碳纤维束表面喷洒无水乙醇去除多余纤维，形成表面光洁整齐的碳纤维束；
41.将所得碳纤维束两端固定长度为14cm，垂直挂起并对碳纤维束增加8mpa的垂直力，同时对表面再次喷洒酒精，充分拉伸纤维束后，静置12h；
42.在10ml去离子水中，加入2g丙烯酸(aa)，0.2g n-异丙基丙烯酰胺，0.008gn，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(bis)，0.5g pluroncif127，制备超多孔水凝胶前驱体溶液；
43.所得的前驱体溶液采用去离子水充分溶解后加入0.04g n,n,n',n'-四亚甲基二胺temed加入50g引发剂过硫酸铵(aps)，temed同时添加到前驱体溶液中，aps在聚合时加入溶液中，加入引发剂后180秒后加入50mg的碳酸氢钠(造孔剂)，用刮刀将试管内的溶液充分融合，使碳酸氢钠均匀分布在试管内；
44.将上述溶液-凝胶法制得的混合溶液滴涂(至完全浸润)在垂直挂立的纤维束上，在常温下静置引发聚合15min；
45.将聚合物负载的复合碳纤维在-60℃下冷冻6h，然后冷冻干燥48h，得到气凝胶复合纤维；
46.将所得的冷干聚合物复合纤维在10mpa负载下，通过单端固定的加捻方式，形成插入数为1500turns/m的螺旋结构复合纤维；
47.将加捻好的复合纤维浸入0.1m nacl溶液中充分溶胀8h，形成ph响应的人工肌肉。
48.表1
[0049][0050]
对比实施例1
[0051]
在使用溶胶-凝胶法制备聚合物混合溶液时，以过硫酸铵(aps)作为引发剂，需要在80℃下聚合3h。将前驱体混合液在引发前滴覆在纤维表面，通过80℃鼓风干燥箱聚合5h。将成型复合纤维加捻激活制得ph响应人工肌肉。通过切换酸碱溶液，测试肌肉在不同负载下的拉伸收缩性能，如图4所示。
[0052]
在60℃条件下引发聚合，聚合物内严重失水结构塌陷，聚合物ph响应时的溶胀性变差，从图中利用本发明的制备方法制备的ph响应人工肌肉的拉伸收缩性明显优于高温引发下的ph响应人工肌肉。
[0053]
对比实施例2
[0054]
使用不添加发泡剂和造孔剂，只添加氧化还原引发对的溶胶-凝胶法制备聚合物混合溶液直接滴覆在纤维表面，在-60℃低温状态下，静置引发聚合并干燥。将成型复合纤维加捻激活制得ph响应人工肌肉。通过切换酸碱溶液，测试肌肉在不同负载下的拉伸收缩性能，如图5所示。
[0055]
在未加发泡剂和造孔剂下引发聚合，形成的聚合物交联密实，带电荷基团对体积相变影响较小，聚合物ph响应时的溶胀性差，从图中利用本发明的制备方法制备的ph响应人工肌肉的拉伸收缩性明显优于不添加发泡剂和造孔剂的ph响应人工肌肉。
[0056]
以上所述实施的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0057]
以上所述实施仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。