[发明专利]一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法

说明书

本发明属于材料科学及软体机器人驱动技术领域，具体涉及一种大应变快速响应的电热驱动碳纳米管纤维人工肌肉的制备方法。本发明提出一种将可变亲疏水性聚合物与碳纳米管纤维混合制备纤维人工肌肉的方法，并将其应用在智能机器人领域中。制备可纺丝的碳纳米管纤维，通过复合掺杂法将其和可变亲疏水性聚合物进行复合，制备出快速响应的复合碳纳米管纤维人工肌肉；以电热驱动的方式控制其伸缩，并对其通水雾，实现大应变快速响应的目的。

技术领域

本发明属于材料科学及软体机器人驱动技术领域，具体涉及一种大应变快速响应的电热驱动碳纳米管纤维人工肌肉的制备方法。

背景技术

随着人们对软体机器人开发的不断深入以及对智能机械系统的强烈需求，人们开始致力于研发各种柔性驱动器件。相比于传统刚性驱动器，柔性驱动器具有安全性高、活动自由度高、自适应性强等优点。人工肌肉是一种可在外界信号(光、电、热等)激励作用下产生形变的柔性驱动器。用于制作人工肌肉的主要材料有介电弹性体、形状记忆合金、尼龙线、石墨烯纤维、碳纳米管纤维等。其中，碳纳米管纤维作为碳纳米管(CNT)的多种宏观组装体之一，继承了碳纳米管优异的导电性、导热性、力学强度高，质轻等。碳纳米管纤维具有良好的结构柔韧性，在人工肌肉、软体机器人以及柔性机械技术等领域具有巨大的应用前景。

基于碳纳米管纤维人工肌肉的驱动方式主要有电热驱动、溶剂吸脱附及电化学驱动等。溶剂脱吸附受外界环境影响较大，且具有输出响应速率慢，对外做功输出能量低等不足。电化学驱动虽然能量转换效率高，驱动应变大，但其需要使用电解液，增加了人工肌肉的整体质量，不便于实际使用操作。电热驱动纤维人工肌肉由于操作简单，可控制性强，常常被用于实验研究和工业运用中。然而，电热驱动碳纳米管纤维人工肌肉由于散热过程慢，导致其响应速度慢等问题。通过研究发现，减小人工肌肉的横截面可以加快人工肌肉的散热速度，但人工肌肉的质量和输出能量也随之减小。

本发明旨在改进目前电热驱动人工肌肉响应慢、散热大的弊端，提高纤维人工肌肉的输出应变、响应速率等性能，提出一种将可变亲疏水性聚合物与碳纳米管纤维混合制备纤维人工肌肉的方法，并将其应用在智能机器人领域中。具体通过制备可纺丝的碳纳米管纤维，通过复合掺杂法将其和可变亲疏水性聚合物进行复合，制备出快速响应的复合碳纳米管纤维人工肌肉；继而研究纤维人工肌肉的力学、电学性能以及对外做功的能力。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种大应变快速响应电热驱动碳纳米管纤维人工肌肉的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大应变快速响应电热驱动碳纳米管纤维人工肌肉的制备方法，其特征在于，采用由碳纳米管垂直阵列纺丝制成的碳纳米管薄膜，将薄膜加捻后自然退捻。为去除纤维中的杂质及增强纤维的拉伸强度，对加捻后的纤维进行真空高温处理 (在2000℃真空条件下加热2min)，之后对纤维进行轻微酸化处理来改善其亲水性能。再将亲疏水特性可受温度变化而转变的材料均匀喷涂于经过上述处理的碳纳米管纤维中，最后以电热驱动的方式控制其伸缩，并对其通水雾。其工作原理为：当人工肌肉本身温度为室温时，肌肉表面呈亲水特性。通电之后肌肉收缩，同时肌肉吸收水雾促进其膨胀增大了收缩率；当温度超过某一温度时，肌肉表层聚合物表现为疏水性。水滴不会停留在肌肉表面，故水雾会不断带走肌肉的热量，加速其降温，缩短了恢复时间。从而达到了大应变快速响应的目的。

所述亲疏水性可受温度变化而变化的材料为聚苯乙烯/聚N-异丙基丙烯酰胺(PS/PNIPAM)。

所述的可纺丝碳纳米管阵列可通过现有技术中的化学气相沉积方法(CVD) 制备。首先，由甲烷作为碳源，二茂铁、噻吩蒸汽分别用作催化剂和生长促进剂。以氦气作为载气将以上气态原料通入反应器中。碳纳米管的合成过程在高温下 (700℃以上)进行。而且反应在氢气气氛中进行。由此可制得多壁碳纳米管阵列。

所述的碳纳米管薄膜可直接从碳纳米管垂直阵列中连续抽出。