[發(fā)明專利]一種碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉及其電致動(dòng)性能測(cè)試方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010932284.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112266494A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉夏;王張義;朱建蹀;季鏵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C08J7/04
• 分類號(hào): C08J7/04;C08L27/16;C08K9/02;C08K7/06;G01R29/22
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開(kāi)了一種碳納米管纖維?離子凝膠人工肌肉及其電致變形測(cè)試方法，屬于電化學(xué)致動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。該人工肌肉主要由碳納米管纖維、離子凝膠在一定條件下制備而成。通過(guò)電源給人工肌肉的兩個(gè)電極通電，位移傳感器和數(shù)據(jù)收集盒用以測(cè)量通電后纖維的電致變形收縮量。石墨烯的加入使得人工肌肉電導(dǎo)率增加，從而提升電致動(dòng)性能。在凝膠中溶解具有保濕能力的鹽以及在凝膠外部涂覆具有保水能力的彈性體層都將提升人工肌肉的壽命，相比于碳納米管纖維在氣體或液體環(huán)境下驅(qū)動(dòng)，該人工肌肉具有高電導(dǎo)率、較高的能量轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)異的力學(xué)性能和更廣泛的應(yīng)用環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)產(chǎn)品制造以及機(jī)器人研發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的用途。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)致動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉及其電致動(dòng)性能測(cè)試方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，人工肌肉因其質(zhì)量輕、工藝便捷、柔韌性好等諸多優(yōu)勢(shì)，受到了人們廣泛的關(guān)注和研究。人工肌肉是一種在受到外界刺激時(shí)，自身產(chǎn)生響應(yīng)，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同形變的新型材料。隨著人們對(duì)人工肌肉的性能要求更高，對(duì)作為其核心部分的電致動(dòng)材料性能需求也更高，但目前多數(shù)材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能不能兼顧，存在使用過(guò)程中受力出現(xiàn)斷裂破損、室溫導(dǎo)電率低、驅(qū)動(dòng)性能差等問(wèn)題。同時(shí)，當(dāng)人工肌肉在氣體或液體環(huán)境下驅(qū)動(dòng)時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到很大的制約。

高分子凝膠因其具有良好的生物相容性引起人們的廣泛關(guān)注。離子的加入使高分子凝膠擁有更高的導(dǎo)電性。碳納米管纖維是一種具有優(yōu)異性能的宏觀材料，具有高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電性以及良好的柔韌性，碳納米管纖維的孔洞結(jié)構(gòu)，能構(gòu)筑離子傳輸?shù)亩ㄏ蛲罚龃箅x子遷移率從而顯著提升人工肌肉的導(dǎo)電率和力學(xué)穩(wěn)定性。將碳納米管纖維和離子凝膠組裝成人工肌肉進(jìn)而設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)了仿生機(jī)器人和生物醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展。水凝膠在空氣中容易失水變干，在水凝膠中溶解具有保濕能力的鹽，可以降低水的蒸氣壓從而減緩/抑制水的蒸發(fā)，在水凝膠外面包裹一層薄薄的彈性體層，既不影響水凝膠的透明度和拉伸性，同時(shí)又可以起到保水的作用。石墨烯作為一種具有優(yōu)異力學(xué)及電學(xué)性能的材料，在碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉中隨著石墨烯含量的增加，人工肌肉的承載能力下降，致動(dòng)性能提升，所以，適量的石墨烯加入也將提升人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉及其電致動(dòng)性能測(cè)試方法。制備過(guò)程中考慮到如何增加離子凝膠的導(dǎo)電性和離子凝膠的保水能力，增加了碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉的使用壽命。該人工肌肉具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和更廣泛的應(yīng)用環(huán)境，增強(qiáng)了人工肌肉的電驅(qū)動(dòng)性能，有助于推動(dòng)人工肌肉研究與應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

本發(fā)明采用的碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉及其致動(dòng)性能測(cè)試方法，主要包括以下步驟：

1)碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉的制備過(guò)程

制備碳納米管纖維電極：首先將浸入石墨烯溶液的碳納米管纖維放置在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，使用超聲波振蕩器1小時(shí)，使其分布均勻，將碳納米管纖維在N-甲基吡咯烷酮取出，隨后將碳納米管纖維一端固定，另一端用電機(jī)加捻一定圈數(shù)，隨后將纖維從中間對(duì)折，再次一端固定，另一端反向加捻一定圈數(shù)后，得到穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)碳納米管纖維電極。

離子凝膠液體配制：將一定量四乙基四氟硼酸銨加入到碳酸丙烯酯中，配置成電解質(zhì)溶液。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(xù)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。將電解質(zhì)溶液和聚合物溶液按照體積比5：1配制離子凝膠液體，加入少量硫酸鉀。

使用模具制備人工肌肉：將前述得到的碳納米管纖維電極固定到模具的凹槽中，使用滴管緩慢滴入離子凝膠液體，使離子凝膠液體將碳納米管纖維電極完全浸沒(méi)，在室溫和惰性氣體環(huán)境下靜置6-8小時(shí)得到碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉，隨后在碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉表面涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為保水層。

2)碳納米管纖維-離子凝膠人工肌肉電致動(dòng)性能測(cè)試