[发明专利]一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法

说明书

本发明属于材料科学及柔性驱动技术领域，具体涉及一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法。本发明提出一种将丙烯酸锌与乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合制备加捻人工肌肉的方法，通过丙烯酸锌与乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合形成多重交联网络，增强乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物纤维的热机械性能和双向形状记忆性能，进一步采用加捻‑热定型制备出热驱动的乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物人工肌肉复合纤维，以热刺激的方式实现其快速地旋转和收缩驱动的目的。本发明操作简单，成本低廉，高效环保，相比于其他人工肌肉材料的制备原料来源广泛。

技术领域

本发明属于材料科学及柔性驱动技术领域，具体涉及一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法。

背景技术

人工肌肉纤维是一种新型的纤维状柔性驱动材料，它能在外界刺激下(热、电、光、磁场以及湿度等)产生机械位移或输出力，并驱动目标物体产生诸如收缩、伸长、弯曲、扭转和旋转等运动姿态。纤维状人工肌肉具有优异的机械强度、良好的结构柔韧性和丰富的可设计性等优势，有望代替传统刚性驱动器，在生物医药辅助系统、软体机器人、柔性机械设备和柔性传感器等领域具有良好的应用前景。

形状记忆聚合物是一种智能响应型高分子材料，其在外界刺激下具有形状记忆效应。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是制备形状记忆聚合物的常用材料，其热刺激响应温度随着VA含量的变化而变化。当前，利用化学交联EVA的结晶-熔融转变已经实现了双向形状记忆效应，即热驱动的应变(或应力)的双向可逆变化。然而，化学交联EVA的形状记忆聚合物仍存在力学性能低，热机械性能不稳定，明显的应力松弛效应，和恢复应力低等不足。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：针对目前形状记忆EVA纤维材料力学性能低，热机械性能不稳定的问题，提出利用丙烯酸锌作为反应性填料，其分子结构中包括两个不饱和的乙烯基基团，且丙烯酸锌自聚合易形成纳米或微米级聚集体，可以与EVA基体形成稳定的化学结合和良好的界面结合作用，进而提高EVA纤维的交联密度和热机械性能，用于设计热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

本发明主要解决的技术问题通过以下技术方案实施：

(1)制备丙烯酸锌/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合物：按照一定比例将100phr乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，5phr-10phr丙烯酸锌，3phr-5phr紫外光引发剂，3phr-5phr助交联剂，5phr-10phr表面活性剂，1phr-3phr增塑剂加入到密炼机或双螺杆挤出机中，在氮气的保护下熔融混合，产物冷却干燥后造粒储存。其中，phr表示重量份。

(2)制备交联丙烯酸锌/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合纤维：将上述步骤得到的复合物颗粒加入到熔融纺丝机中，在氮气的保护下熔融纺丝，通过紫外光固化设备制备交联复合纤维。

(3)对交联丙烯酸锌/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合纤维加捻和定型，得到热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

所述丙烯酸锌为二甲基丙烯酸锌；所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)，醋酸乙烯含量在5wt％-40wt％；所述紫外光引发剂为二苯甲酮；所述助交联剂为异氰脲酸三烯丙酯；所述表面活性剂为硬脂酸；所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯。

所述的交联复合纤维的凝胶质量分数在75％-90％之间。

进一步的，步骤3具体为：将未卷绕(伸直态)的交联丙烯酸锌/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合纤维(2股及2股以上)两端固定在手摇或电动加捻机上进行加捻，之后将螺旋状的复合纤维在80℃-100℃下热定型2min-5min得到热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

所述的热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的捻度(turns/m)根据加捻机旋转的圈数(turns)和复合纤维长度(m)计算。

所述的热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的热驱动温度为50℃-100℃。