[发明专利]复合纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合纤维及其制备方法和应用。所述复合纤维包括导电纤维和包覆于导电纤维表面的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，并且所述三维多孔结构内填充有离子液体。本发明提供的人工肌肉纤维所采用的离子液体是一种室温熔融盐，其蒸气压低，不易挥发，电化学窗口宽，与目前所用的有机或者无机电解液相比受溶剂蒸发的影响较低，可以在空气中稳定工作，因此采用离子液体填充的纳米纤维网络形成电解质层可以保证本发明中的电化学人工肌肉纤维在空气中的使用的稳定性，并大大增加使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种人工肌肉纤维，特别涉及一种复合纤维及其制备方法和应用，属于材料科学技术领域。

背景技术

人工肌肉与生物肌肉类似，具有收缩应力大，功率密度高和能量密度高的特点，并且具有编织整合的特性，近年来在机械外骨骼和柔性机器人领域受到了广泛的关注，在众多的人工肌肉中，电化学人工肌肉由于低工作电压，无明显的热效应以及无卡诺效率的限制而引起人们广泛的兴趣。

Foroughi等首先报道了加捻的多壁碳纳米管人工肌肉，这种人工肌肉在六丁基磷酸四丁铵的乙腈溶液中以5V(vs.Ag/Ag+参比电极)电压刺激时可产生1％的收缩，通过继续提高纤维捻度形成螺旋结构，CNT纤维在有机电解质中产生的拉伸收缩率可以进一步提高为16.5％。Mu等人提出了鞘层驱动的人工肌肉的概念，以CNT为鞘层的Nylon6纤维在有机电解质中驱动时可以产生约20％的收缩率，输出的能量密度为2.35J/g。最近，Kim等人还通过集束将CNT人工肌肉的做功能力提升到3.78kJ/kg。

然而，液体工作体系严重限制了上述电化学人工肌肉的实际应用，为了应对液态工作体系这一挑战，目前的一些工作已经报道了凝胶型电解质体系，利用这种电解质体系制备的准固态人工肌肉通常由充当正极和负极的两根纤维组成；Lee等人报道了基于H₂SO₄水溶液-聚(乙烯醇)凝胶电解质的CNT人工肌肉，在1V驱动时产生了0.52％的收缩；而使用有机凝胶电解质可以使人工肌肉在更高的驱动电压下工作，在5V驱动电压下的平行和编织的CNT纤维可以获得11.6％和5％的高收缩量，由于这些凝胶的机械强度低且尺寸稳定性差，因此两个电极之间容易短路，为了避免短路现象，两电极之间必须保持一定距离，但是这增加离子传输的阻抗，此外，凝胶电解质中溶剂的挥发会限制电化学人工肌肉的长期工作稳定性。

综上，现有技术主要存在以下缺点：1)液态电解质体系体积和重量大，2)液态的工作体系严重限制了其在智能可穿戴领域的应用，3)粘稠状凝胶结构稳定性和尺寸稳定性差，容易短路，4)目前使用的电解质都面临着溶剂蒸发等问题，无法在空气中长时间稳定的工作。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种复合纤维及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种复合纤维，其包括导电纤维和包覆于导电纤维表面的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构，并且所述三维多孔结构内填充有离子液体。

本发明实施例还提供了所述复合纤维的制备方法，所述的制备方法包括：

采用静电纺丝方式在导电纤维表面原位制作形成包覆所述导电纤维的纳米纤维鞘层，所述纳米纤维鞘层包括由高分子纳米纤维交织形成的三维多孔结构；以及，在所述纳米纤维鞘层的三维多孔结构中填充离子液体。

本发明实施例还提供了一种人工肌肉纤维，其包括相互绞合的至少两股螺旋纤维，所述螺旋纤维包括由所述复合纤维加捻形成的螺旋结构。

本发明实施例还提供了所述复合纤维的制备方法，所述的制备方法包括：

采用所述的制备方法获得的复合纤维；