蚕丝人工肌肉的驱动性能研究及应用

发布时间：2020-04-30 11:11

【摘要】：近年来智能纺织品取得了令人振奋的进展,智能织物能够从环境中感知刺激,并通过整合织物结构中的功能来对这些刺激作出反应。将传统纺织技术和纤维型人工肌肉相结合是实现纺织品智能功能的方法之一。但是,目前文献报道的用于制备人工肌肉的材料因为价格昂贵,制备涉及复杂的化学过程等缺点而难以进行商业化。相比之下,天然纺织纤维成本低、舒适性好,更能引起研究者的兴趣。本文基于蚕丝纤维吸湿后产生的巨大体积膨胀,通过对蚕丝纤维加捻、对折自捻合和热定型,分别制备了扭转和伸缩型蚕丝人工肌肉,并对其驱动性能及在智能织物等方面的应用进行了研究。本文的主要研究内容和结果如下:1.在室温下,通过在H_2SO_4溶液或NaOH溶液中浸泡的方式对蚕丝进行脱胶。其中,碱浸泡可以达到良好的脱胶效果,并且脱胶对蚕丝的结构、热稳定性和力学强度基本上没有影响。2.通过分子动力学模拟,证明了蚕丝蛋白中链-链氢键的减少导致了纤维的体积膨胀。除此之外,水还促进了蛋白二级结构中随机线圈向有序二级结构的转变。二维X射线衍射实验和蚕丝的吸水动力学实验也证实了这一转变。蚕丝的力学性质对湿度有很强的依赖性,湿度越大,断裂应力越小,断裂应变越大。3.双螺旋蚕丝扭转肌肉:对蚕丝纤维加捻后再对折使其自捻合可以制备出具有双螺旋结构的蚕丝扭转人工肌肉。当暴露在水雾中时,该蚕丝扭转肌肉提供了一个完全可逆的扭转行程,最大旋转速度和扭转角分别为1125 rpm和547°/mm,同时提供63.0 mN m/kg的力矩。可以通过改变加捻密度、负载、水雾浓度、pH和蚕丝根数等方式调节蚕丝扭转肌肉的驱动性能。4.单股蚕丝扭转肌肉:通过对加捻的蚕丝纤维进行热定型的方式制备了结构稳定不退捻的单股蚕丝扭转肌肉。进一步研究了热定型对蚕丝纤维结构和力学性质的影响。单股蚕丝扭转肌肉对湿度非常敏感,本文研究了该肌肉在不同湿度下的驱动性能,并对驱动产生的扭转角进行了理论计算,计算结果和实验结果比较吻合。5.卷绕型蚕丝伸缩肌肉:在双螺旋蚕丝扭转肌肉的基础上,经过进一步的卷绕和热定型即可获得卷绕型蚕丝伸缩肌肉。蚕丝伸缩肌肉的驱动性能可以通过改变肌肉手性、加捻密度、弹簧系数和线圈间距来调节。湿度增加时,同手性肌肉通过收缩来实现驱动,而异手性肌肉通过伸长来实现驱动。随着加捻密度、弹簧系数或湿度的增加,蚕丝伸缩肌肉的最大变形单调增加。当环境湿度从20%变化到80%时,蚕丝伸缩肌肉的收缩率为70%。弹簧系数为4.5的蚕丝伸缩肌肉收缩驱动时的最大做功为1.9 J/kg,足以满足其作为智能织物的应用。6.利用蚕丝人工肌肉实现了包括智能窗户、柔软机器人、天然湿度计和智能织物的应用。其中,智能织物在水分和热量管理方面将带给人类不一样的体验。智能织物感应到穿着者的汗水后能够立即做出反应,缩短长度(45%),便于穿着者散热,增加皮肤和织物之间的舒适性。
【图文】：

示意图,驱动机理,人工肌肉,卷绕

扭曲纤维的可逆解捻。这一过程可以通过一根代表单个聚合物链的绳子解，它被缠绕在一个直径固定的杆上，并固定到这根杆的两端。如果绳子，要使杆长不变，则杆必须解捻。同样，一根固定长度的绳子，缠绕在一定长度的杆上，当杆直径增大时，也会使杆解捻。对于尼龙等纤维，长度和径向膨胀会使纤维发生解捻。更普遍地说，任何在半径上的膨胀大于长缩的取向纤维(在加捻之前)都可以发生解捻，形成一个扭转致动器，只需维进行加捻即可。混合碳纳米管纱线是这种效应的特例。虽然纯碳纳米管纱线也提供各向热膨胀，但是在加热过程中，碳纳米管长度收缩和纱线直径膨胀就像石墨的面内和面间膨胀一样，这种尺寸变化很小，只有当纱线在极端温度范围热才能产生有用的驱动。然而，通过在扭曲的碳纳米管纱线内渗透容易产积膨胀的客体，大的、最初各向同性的客体膨胀可以被扭曲排列的高刚度米管转变为各向异性的纱线膨胀，从而产生扭转驱动。除了热驱动和混合纱线外，溶剂/气体吸收、电荷注入等也能引起纱线体胀，产生扭转驱动。

人工肌肉,三电极体系,碳纳米管,石蜡

图 1.2 碳纳米管人工肌肉三电极体系[36]2012 年，德克萨斯大学达拉斯分校的 Lima 等人[13]将石蜡填充的碳纳米度加捻、螺旋卷绕研制出了一种纤维人工肌肉，其结构如下图 1.3 所示。复合人工肌肉中，主体材料为多壁碳纳米管，客体材料为石蜡，其中石蜡高的热膨胀系数。直接加热、通电或者光照时，石蜡发生体积膨胀，该人肉直径增大，长度缩短，，进而产生扭转和收缩。当该肌肉的负载超过本身的 10 万倍时，这种肌肉仍然能够有效驱动，提供的机械功率超过自然骨骼 85 倍以上。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.17

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