[發明專利]一種碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉制備模具及制備方法

在審

• 申請號: 202010590199.3
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111978564A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 劉夏;王張義;季鏵
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08J5/18;C08L27/16;C08L27/20;C08K7/06;C08K5/19;A61L27/08;A61L27/16;A61L27/50;B29C39/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種碳納米管纖維?離子凝膠人工肌肉制備模具及制備方法，該方法將電解質溶液和聚合物溶液按一定比例混合成離子凝膠液體，將碳納米管纖維加捻成具有穩定雙螺旋結構的碳納米管纖維，放置在模具中,使用膠頭滴管緩慢滴入離子凝膠液體，在一定條件下，形成人工肌肉。兩碳納米管纖維分別作為人工肌肉的正極和負極，該人工肌肉在外加電場的作用下產生收縮或其他變形。相比于已有的氣動型或液動型人工肌肉組織，該人工肌肉具有更高的電導率和更為優異的力學性能，同時，由于沒有溶劑揮發和漏液等現象，制備的電致動器件的安全性和穩定性得到提高，在醫療衛生、工業產品制造以及機器人研發等領域有著廣泛的用途。

技術領域

本發明屬于仿生材料技術領域，特別涉及一種電驅動的碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉的制備模具及制備方法。

背景技術

通過模擬自然界中生物體的運動方式，實現人工肌肉結構的高效率和高靈活性始終是仿生領域的熱點。在生物體的各種運動方式中，大都是通過肌肉的收縮和彎曲來完成的，因此，人工肌肉也成為科學研究的熱點。

人工肌肉是一種在受到外界刺激時，自身產生響應，通過不同結構產生不同形變的新型材料。隨著人們對人工肌肉的性能要求更高，對作為其核心部分的電致動材料性能需求也更高，但目前多數材料的力學性能和導電性能不能兼顧，存在使用過程中受力出現斷裂破損、室溫導電率低、驅動性能差等問題。目前用于制備人工肌肉的材料有高分子凝膠、導電高分子材料、超分子系統、金屬高分子復合材料等。其中，高分子凝膠因其具有良好的生物相容性引起了廣泛的關注。離子的加入使高分子凝膠擁有更高的導電性。碳納米管纖維是一種具有優異性能的宏觀材料，具有高機械強度、高導電性以及良好的柔韌性，碳納米管纖維的孔洞結構，能構筑離子傳輸的定向通路，增大離子遷移率從而顯著提升人工肌肉的導電率和力學穩定性。將碳納米管纖維和離子凝膠組裝成人工肌肉進而設計驅動結構，推動了仿生機器人和生物醫療領域的發展。

因此，對基于碳納米管纖維和離子凝膠的電驅動人工肌肉制備模具及制備方法的研究具有重要的實用價值。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電驅動的人工肌肉制備模具及其制備方法，使用碳納米管纖維作為電極材料，離子凝膠作為驅動環境。該人工肌肉具有更高的能量轉換效率和更廣泛的應用環境，增強了人工肌肉的電驅動性能，有助于推動人工肌肉研究與應用的進一步發展。

因聚四氟乙烯具有耐高溫(最高260℃)、耐腐蝕(耐王水和一切有機溶劑)、高潤滑(具有塑料中最小的摩擦系數)和低粘性(具有固體材料中最小的表面張力而幾乎不粘附任何物質)等一系列優異使用性能，故電驅動人工肌肉制備模具材料選用聚四氟乙烯。

模具凹槽處用于固定碳納米管纖維，同時預留出給電極夾頭夾持的位置，內槽高度為3mm，凹槽底部高度為1.5mm，以便使成膠后碳納米管纖維在凝膠的中心位置，模具兩端設有圓角或槽，便于實驗操作以及實驗后人工肌肉的扣取。

一種電驅動人工肌肉的制備方法，包括以下步驟：

一、制備碳納米管纖維電極過程

將碳納米管纖維一端固定，另一端用電機加捻一定圈數，隨后將纖維從中間對折，再次一端固定，另一端反向進行加捻一定圈數后，得到穩定雙螺旋結構碳納米管纖維電極。

二、離子凝膠液體配制過程

1.將一定量離子藥品四乙基四氟硼酸銨加入到碳酸丙烯酯中，配置成濃度為0.5mol/L的電解質溶液。

2.取適量聚偏氟乙烯六氟丙烯加入到丙酮溶液中，在磁力攪拌器上35℃持續加熱攪拌至溶液中白色晶體完全溶解，隨后稀釋，得到聚合物溶液。

3.將電解質溶液和聚合物溶液按照體積比5：1配制離子凝膠液體。

三、使用模具制備人工肌肉過程