[发明专利]一种以碳纤维为基底的PH响应人工肌肉的制备方法

说明书

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，将分离出的碳纤维束两端固定并充分垂直拉伸，通过溶液‑凝胶法制备具有PH响应的聚合物混合溶液，然后将混合溶液滴涂在竖直挂立的纤维束上，在常温下引发聚合并冷冻干燥，形成气凝胶复合纤维，最后通过负载加捻以及聚合物激活处理，得到PH响应人工肌肉。采用碳纤维作为致动器基底材料，提高了聚合物致动的应力应变能力和循环寿命，并提供了聚合膨胀时的作用力方向，使聚合物满足致动器发展中应用性的要求；同时纤维基底为聚合物提供了较大的表面积，利于酸碱溶液的渗透，提高了聚合物的PH响应速度。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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：

(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；

(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。

(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。

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。

(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；

(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；

(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。

(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；

(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。