專利名稱：基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工肌肉材料、其制備及其應(yīng)用，特別是將具有體積變化的功能響應(yīng)材料制備為具有伸縮功能的取向超細(xì)纖維材料。
背景技術(shù)：
天然肌肉能夠?qū)⒒瘜W(xué)能等溫高效地直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其高效率、無(wú)噪聲、無(wú)污染、體積小、柔性結(jié)構(gòu)分布式直接驅(qū)動(dòng)及特殊的伺服性能等特點(diǎn)十分引人注目，從而成為人們夢(mèng)寐以求仿制的對(duì)象。為此，人們研制了具有類似于天然肌肉上述特性的功能高分子材料-人工肌肉高分子材料AMP(artificial musclepolymer)。
人工肌肉高分子材料主要分為化學(xué)機(jī)械型和電化學(xué)機(jī)械型人工肌肉高分子材料。這些人工肌肉高分子材料具有柔性結(jié)構(gòu)，并且能夠隨pH值、溫度、電場(chǎng)等外界環(huán)境的變化而發(fā)生收縮或伸長(zhǎng)，其收縮力、伸縮率、響應(yīng)時(shí)間等方面均已取得長(zhǎng)足發(fā)展，目前已經(jīng)在執(zhí)行器、機(jī)器人、傳感器等領(lǐng)域得到了諸多應(yīng)用。
然而，基于高分子材料的人工肌肉的發(fā)展還存在很多問(wèn)題如響應(yīng)速度慢、存在滯后效應(yīng)、強(qiáng)度偏低、收縮力偏小等。目前基于高分子材料的人工肌肉主要以厚度在數(shù)十微米至數(shù)毫米之間的無(wú)序混合的高分子材料薄膜的形式得到應(yīng)用。當(dāng)人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加電場(chǎng)的情況下接觸離子、小分子時(shí)，小分子或者離子通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)出高分子材料薄膜并導(dǎo)致高分子材料發(fā)生相應(yīng)的構(gòu)象變化從而引發(fā)形變。由于人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相對(duì)離子或者小分子的擴(kuò)散太大并且需要耗時(shí)的構(gòu)象變化，因此響應(yīng)速度較慢，存在響應(yīng)滯后效應(yīng)；另一方面，由于薄膜中高分子材料無(wú)序混合，其形變方向不一致致使其中相當(dāng)部分的形變能量由于不同方向形變的高分子材料之間的相互牽制或者抵消而消耗(如圖1a所示)，導(dǎo)致這類人工肌肉高分子材料效率降低，收縮力減??；最后，為了方便離子、小分子的擴(kuò)散，人工肌肉高分子薄膜常常為微孔結(jié)構(gòu)，并且材料間在微觀層次上并無(wú)很強(qiáng)的相互作用，因此這類人工肌肉高分子材料薄膜機(jī)械強(qiáng)度通常偏低。
然而隨著人類社會(huì)文明的不斷進(jìn)步及人類生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)各類驅(qū)動(dòng)器件性能的要求也不斷提高。為此，具有眾多優(yōu)良性能的人工肌肉高分子材料性能的改進(jìn)及開發(fā)以滿足人們需求的研究受到全世界科學(xué)家和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注，令人遺憾地是到目前為止，進(jìn)展仍十分緩慢。
事實(shí)上，在開發(fā)高性能高分子人工肌肉方面，正如我們?cè)谘邪l(fā)飛行器中可以向鳥類學(xué)習(xí)，在研發(fā)電池中可以向電鰻學(xué)習(xí)一樣，自然給予了我們很好的學(xué)習(xí)范例。生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化其不僅適應(yīng)自然而且程度接近完善，其一些奇妙的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類自身先前的設(shè)計(jì)并成為解決疑難工程問(wèn)題的答案。自然界的天然肌肉即是其中很好的一個(gè)例子。天然肌肉是通過(guò)直徑約1微米的圓柱形肌原纖維作為基本單元有序排列實(shí)現(xiàn)其變形功能的。肌原纖維由粗細(xì)不同的數(shù)百納米的兩組纖維肌絲-粗肌絲和細(xì)肌絲以高度規(guī)則的方式排列組成。細(xì)肌絲插入粗肌絲的間隔間并且細(xì)肌絲上的肌動(dòng)蛋白可以與粗肌絲上的肌球蛋白形成復(fù)合物。肌原纖維伸縮過(guò)程可用所謂的滑動(dòng)模型解釋，即當(dāng)肌原纖維收縮或者伸展時(shí)，細(xì)肌絲伸入或者脫出粗肌絲間隙(如圖2所示)。
這樣的伸縮過(guò)程蛋白質(zhì)的構(gòu)象并不發(fā)生改變，而是靠?jī)煞N或多種不同種類的蛋白質(zhì)材料之間的相對(duì)位移的迭加來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。因此，基于高分子材料的人工肌肉的伸縮機(jī)制與天然肌肉的伸縮機(jī)制是完全不同的。天然肌肉中由超細(xì)纖維間的相對(duì)滑動(dòng)而變形的機(jī)制由于不需要構(gòu)象變化并且纖維細(xì)小因此保證了天然肌肉響應(yīng)速度快；粗肌絲和細(xì)肌絲等超細(xì)纖維由于存在纖維間大面積的包括氫鍵等的弱相互作用從而提高了肌肉的相對(duì)強(qiáng)度；肌肉收縮方向一致(如圖1b所示)因此效率高、收縮力比較大。
多年來(lái)由于超細(xì)纖維的制備及組裝技術(shù)發(fā)展緩慢，人們難以設(shè)計(jì)基于超細(xì)纖維的人工肌肉。然而近年來(lái)一種能夠制備超細(xì)纖維的技術(shù)即電紡技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。電紡技術(shù)通過(guò)高壓電場(chǎng)對(duì)粘性流體的拉伸作用能夠方便、廉價(jià)地制備基于高分子材料或者無(wú)機(jī)材料的超細(xì)纖維，而且通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)及拉伸作用人們能夠方便地控制電紡超細(xì)纖維內(nèi)部高分子材料的取向及超細(xì)纖維的定向排列。目前電紡超細(xì)纖維已經(jīng)在組織工程、復(fù)合材料、催化、傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將電紡超細(xì)纖維與通過(guò)離子、分子等擴(kuò)散而形變的高分子材料結(jié)合，將可以大大縮短這類人工肌肉高分子材料響應(yīng)速度的控制步驟即小分子或者離子在高分子材料內(nèi)的擴(kuò)散路程，從而提高相應(yīng)人工肌肉材料的響應(yīng)速度并降低滯后效應(yīng)；而另一方面，通過(guò)取向控制而獲得的取向排列電紡超細(xì)纖維應(yīng)用于人工肌肉材料將能夠有效減少由于高分子材料無(wú)序排列所導(dǎo)致的相互牽制而產(chǎn)生的能量消耗，并因此提高效率及收縮力；而超細(xì)纖維所具有的與細(xì)胞外機(jī)質(zhì)相當(dāng)?shù)某叽邕€使得該類人工肌肉高分子材料能夠逃避生物體免疫系統(tǒng)的識(shí)別，從而具有良好的生物相容性，從而使得相關(guān)執(zhí)行器件具有在生物體內(nèi)應(yīng)用的潛能；此外由于此類電紡超細(xì)纖維中可以摻雜高強(qiáng)度與超細(xì)纖維間存在強(qiáng)相互作用并且不參與形變的納米管/桿材料，所得到的相應(yīng)人工肌肉材料不僅強(qiáng)度提高而且形變機(jī)制可能類似于天然肌肉。為此，本發(fā)明提出基于電紡超細(xì)纖維的仿生人工肌肉并將其應(yīng)用于包括傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器人等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料及其制備方法，該仿生人工肌肉材料能夠有效改善現(xiàn)有人工肌肉材料的響應(yīng)速度、能量轉(zhuǎn)換效率等性能。
技術(shù)方案本發(fā)明的基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料其特征在于仿生人工肌肉材料由直徑尺寸介于10微米～20納米的具有伸縮功能的取向排列超細(xì)纖維薄膜組成。組成仿生人工肌肉材料的取向超細(xì)纖維薄膜通過(guò)電紡技術(shù)制備。
本發(fā)明的基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料的制備方法，包括如下步驟I)將人工肌肉高分子材料或者原料轉(zhuǎn)換為粘度介于1-40P的高分子溶液或者熔融液，II)將步驟I)中溶液或者熔融液通過(guò)電紡制備為取向超細(xì)纖維薄膜，III)對(duì)步驟II)中的超細(xì)纖維進(jìn)行處理使其在工作介質(zhì)中保持固態(tài)的情況下具有伸縮功能。不同材料的處理方法不一樣。如聚丙烯腈需要高溫交聯(lián)、堿液水解；而聚吡咯則僅僅需要在某種鹽溶液中浸泡即可以。
電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料作為具有傳感、執(zhí)行功能的材料進(jìn)行使用。
有益效果目前基于高分子材料的人工肌肉主要以厚度在數(shù)十微米至數(shù)毫米之間的無(wú)序混合的高分子材料薄膜的形式得到應(yīng)用。當(dāng)人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加電場(chǎng)的情況下接觸離子、小分子時(shí)，小分子或者離子通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)出高分子材料薄膜并導(dǎo)致高分子材料發(fā)生相應(yīng)的構(gòu)象變化從而引發(fā)形變。由于人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相對(duì)離子或者小分子的擴(kuò)散太大并且需要耗時(shí)的構(gòu)象變化，因此響應(yīng)速度較慢，存在響應(yīng)滯后效應(yīng)；另一方面，由于薄膜中高分子材料無(wú)序混合，其形變方向不一致致使其中相當(dāng)部分的形變能量由于不同方向形變的高分子材料之間的相互牽制或者抵消而消耗，導(dǎo)致這類人工肌肉高分子材料效率降低，收縮力減小。
為此，本發(fā)明模仿天然肌肉的諸多優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)，將電紡超細(xì)纖維與通過(guò)離子、分子等擴(kuò)散而形變的高分子材料結(jié)合，將可以大大縮短這類人工肌肉高分子材料響應(yīng)速度的控制步驟即小分子或者離子在高分子材料內(nèi)的擴(kuò)散路程，從而提高相應(yīng)人工肌肉材料的響應(yīng)速度并降低滯后效應(yīng)；而另一方面，通過(guò)取向控制而獲得的取向排列電紡超細(xì)纖維應(yīng)用于人工肌肉材料將能夠有效減少由于高分子材料無(wú)序排列所導(dǎo)致的相互牽制而產(chǎn)生的能量消耗，并因此提高效率及收縮力。
因此將具有響應(yīng)伸縮性能的高分子材料制備為取向超細(xì)纖維人工肌肉材料將能夠有效改善現(xiàn)有傳感、執(zhí)行器、機(jī)器人等領(lǐng)域中人工肌肉材料的性能并拓展其應(yīng)用范圍。


圖1是當(dāng)肌肉伸展方向不一致(a)及一致(b)時(shí)，(方向?yàn)閏)的肌肉的作用力分析。
圖2是天然肌肉粗肌絲、細(xì)肌絲相對(duì)滑動(dòng)模型a收縮、b復(fù)原、c伸展。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1配制20％的平均分子量為8萬(wàn)的聚丙烯腈N，N-二甲基甲酰胺溶液。然后通過(guò)電紡制備為尺寸為數(shù)百納米的聚丙烯腈超細(xì)纖維。該超細(xì)纖維在220攝氏度高溫交聯(lián)1小時(shí)后，在1mol/l的氫氧化鈉水溶液中90攝氏度處理30分鐘，并在最后進(jìn)行清洗、干燥即可獲得由交聯(lián)聚丙烯酸構(gòu)成的酸堿響應(yīng)型人工肌肉材料。該材料在酸性條件下收縮，在堿性條件下伸展。
實(shí)施例2配制20％的平均分子量為8萬(wàn)的聚丙烯腈N，N-二甲基甲酰胺溶液。然后通過(guò)采用間隔為2毫米的側(cè)面相連的平行鐵絲陣列所構(gòu)成的收集裝置而進(jìn)行電紡制備為取向排列的尺寸為數(shù)百納米的聚丙烯腈超細(xì)纖維。該超細(xì)纖維在220攝氏度高溫交聯(lián)1小時(shí)后，在1mol/l的氫氧化鈉水溶液中90攝氏度處理30分鐘，并在最后進(jìn)行清洗、干燥即可獲得取向排列的交聯(lián)聚丙烯酸超細(xì)纖維構(gòu)成的酸堿響應(yīng)型人工肌肉材料。該材料通過(guò)控制酸堿條件能夠收縮或者伸展。
實(shí)施例3配制質(zhì)量濃度為20％的平均分子量為8萬(wàn)的聚丙烯腈及質(zhì)量濃度為1％的碳納米管的N，N-二甲基甲酰胺溶液。然后通過(guò)電紡制備為取向排列的尺寸為數(shù)百納米的聚丙烯腈超細(xì)纖維。該超細(xì)纖維在220攝氏度高溫交聯(lián)1小時(shí)后，在1mol/l的氫氧化鈉水溶液中90攝氏度處理30分鐘，并在最后進(jìn)行清洗、干燥即可獲得強(qiáng)度改善取向排列的內(nèi)含碳納米管的交聯(lián)聚丙烯酸超細(xì)纖維構(gòu)成的酸堿響應(yīng)型人工肌肉材料。
實(shí)施例40.15mol的十二烷基苯磺酸溶解于400毫升蒸餾水中后在劇烈攪拌下添加0.3mol的重蒸吡咯單體。往上述溶液中緩慢添加50毫升0.9mol/l的過(guò)硫酸銨水溶液后在0攝氏度反應(yīng)8小時(shí)。往上述水溶液中加入大量甲醇中，即可獲得可溶性聚吡咯沉淀。該聚吡咯經(jīng)過(guò)過(guò)濾及水、甲醇、丙酮清洗數(shù)次后真空干燥即獲得可溶性聚吡咯。將該可溶性聚吡咯配制成含10％十二烷基磺酸的質(zhì)量濃度為35％的氯仿溶液并通過(guò)電紡技術(shù)制備取向聚吡咯超細(xì)纖維。該取向聚吡咯超細(xì)纖維一面蒸鍍金后即可獲得電化學(xué)響應(yīng)型人工肌肉材料。
實(shí)施例5配制質(zhì)量濃度為20％的聚偏氟乙烯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，并通過(guò)電紡技術(shù)制備為取向超細(xì)纖維。該超細(xì)纖維在0攝氏度下在質(zhì)量濃度為10％的十二烷基磺酸鈉的5％吡咯水溶液中浸泡約8小時(shí)后取出。經(jīng)過(guò)清洗、干燥后在一面蒸金即可獲得在5％十二烷基苯磺酸鈉水溶液中具有電伸縮性能的電化學(xué)響應(yīng)型人工肌肉材料。
權(quán)利要求
1.一種基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料，其特征在于仿生人工肌肉材料由直徑尺寸介于10微米～20納米的具有伸縮功能的取向排列超細(xì)纖維薄膜組成。
2.如權(quán)利要求1所述的基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料，其特征在于組成仿生人工肌肉材料的取向排列超細(xì)纖維薄膜通過(guò)電紡方法制備。
3.一種如權(quán)利要求1所述的基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料的制備方法，其特征在于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料的制備方法包括如下步驟I)將人工肌肉高分子材料或者原料轉(zhuǎn)換為粘度介于1-40P的高分子溶液或者熔融液，II)將步驟I)中溶液或者熔融液通過(guò)電紡制備為取向超細(xì)纖維薄膜，III)對(duì)步驟II)中的超細(xì)纖維進(jìn)行處理使其在工作介質(zhì)中保持固態(tài)的情況下具有伸縮功能。
全文摘要
基于電紡超細(xì)纖維仿生人工肌肉材料的制備方法能夠應(yīng)用于傳感、執(zhí)行器、機(jī)器人等領(lǐng)域。仿生人工肌肉材料由直徑尺寸介于10微米～20納米的具有伸縮功能的取向排列超細(xì)纖維薄膜組成。組成仿生人工肌肉材料的取向排列超細(xì)纖維薄膜通過(guò)電紡方法制備。制備方法包括如下步驟I)將人工肌肉高分子材料或者原料轉(zhuǎn)換為粘度介于1－40P的高分子溶液或者熔融液，II)將步驟I)中溶液或者熔融液通過(guò)電紡制備為取向超細(xì)纖維薄膜，III)對(duì)步驟II)中的超細(xì)纖維進(jìn)行處理使其在工作介質(zhì)中保持固態(tài)的情況下具有伸縮功能。該材料由于模仿天然肌肉結(jié)構(gòu)，因此能夠有效改善現(xiàn)有人工肌肉材料的響應(yīng)速度、能量轉(zhuǎn)換效率等性能。
文檔編號(hào)D01D5/00GK101081313SQ200710024488
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者張繼中 申請(qǐng)人:東南大學(xué)