专利名称：基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种人工肌肉材料、其制备及其应用，特别是将具有体积变化的功能响应材料制备为具有伸缩功能的取向超细纤维材料。
背景技术：
天然肌肉能够将化学能等温高效地直接转换为机械能，其高效率、无噪声、无污染、体积小、柔性结构分布式直接驱动及特殊的伺服性能等特点十分引人注目，从而成为人们梦寐以求仿制的对象。为此，人们研制了具有类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为化学机械型和电化学机械型人工肌肉高分子材料。这些人工肌肉高分子材料具有柔性结构，并且能够随pH值、温度、电场等外界环境的变化而发生收缩或伸长，其收缩力、伸缩率、响应时间等方面均已取得长足发展，目前已经在执行器、机器人、传感器等领域得到了诸多应用。
然而，基于高分子材料的人工肌肉的发展还存在很多问题如响应速度慢、存在滞后效应、强度偏低、收缩力偏小等。目前基于高分子材料的人工肌肉主要以厚度在数十微米至数毫米之间的无序混合的高分子材料薄膜的形式得到应用。当人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加电场的情况下接触离子、小分子时，小分子或者离子通过扩散进出高分子材料薄膜并导致高分子材料发生相应的构象变化从而引发形变。由于人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相对离子或者小分子的扩散太大并且需要耗时的构象变化，因此响应速度较慢，存在响应滞后效应；另一方面，由于薄膜中高分子材料无序混合，其形变方向不一致致使其中相当部分的形变能量由于不同方向形变的高分子材料之间的相互牵制或者抵消而消耗(如图1a所示)，导致这类人工肌肉高分子材料效率降低，收缩力减小；最后，为了方便离子、小分子的扩散，人工肌肉高分子薄膜常常为微孔结构，并且材料间在微观层次上并无很强的相互作用，因此这类人工肌肉高分子材料薄膜机械强度通常偏低。
然而随着人类社会文明的不断进步及人类生活质量的不断提高，人们对各类驱动器件性能的要求也不断提高。为此，具有众多优良性能的人工肌肉高分子材料性能的改进及开发以满足人们需求的研究受到全世界科学家和工程技术人员的高度关注，令人遗憾地是到目前为止，进展仍十分缓慢。
事实上，在开发高性能高分子人工肌肉方面，正如我们在研发飞行器中可以向鸟类学习，在研发电池中可以向电鳗学习一样，自然给予了我们很好的学习范例。生物经过亿万年的进化其不仅适应自然而且程度接近完善，其一些奇妙的功能远远超过人类自身先前的设计并成为解决疑难工程问题的答案。自然界的天然肌肉即是其中很好的一个例子。天然肌肉是通过直径约1微米的圆柱形肌原纤维作为基本单元有序排列实现其变形功能的。肌原纤维由粗细不同的数百纳米的两组纤维肌丝-粗肌丝和细肌丝以高度规则的方式排列组成。细肌丝插入粗肌丝的间隔间并且细肌丝上的肌动蛋白可以与粗肌丝上的肌球蛋白形成复合物。肌原纤维伸缩过程可用所谓的滑动模型解释，即当肌原纤维收缩或者伸展时，细肌丝伸入或者脱出粗肌丝间隙(如图2所示)。
这样的伸缩过程蛋白质的构象并不发生改变，而是靠两种或多种不同种类的蛋白质材料之间的相对位移的迭加来实现伸缩运动。因此，基于高分子材料的人工肌肉的伸缩机制与天然肌肉的伸缩机制是完全不同的。天然肌肉中由超细纤维间的相对滑动而变形的机制由于不需要构象变化并且纤维细小因此保证了天然肌肉响应速度快；粗肌丝和细肌丝等超细纤维由于存在纤维间大面积的包括氢键等的弱相互作用从而提高了肌肉的相对强度；肌肉收缩方向一致(如图1b所示)因此效率高、收缩力比较大。
多年来由于超细纤维的制备及组装技术发展缓慢，人们难以设计基于超细纤维的人工肌肉。然而近年来一种能够制备超细纤维的技术即电纺技术引起了人们的广泛关注。电纺技术通过高压电场对粘性流体的拉伸作用能够方便、廉价地制备基于高分子材料或者无机材料的超细纤维，而且通过电场、磁场及拉伸作用人们能够方便地控制电纺超细纤维内部高分子材料的取向及超细纤维的定向排列。目前电纺超细纤维已经在组织工程、复合材料、催化、传感等领域得到广泛应用。将电纺超细纤维与通过离子、分子等扩散而形变的高分子材料结合，将可以大大缩短这类人工肌肉高分子材料响应速度的控制步骤即小分子或者离子在高分子材料内的扩散路程，从而提高相应人工肌肉材料的响应速度并降低滞后效应；而另一方面，通过取向控制而获得的取向排列电纺超细纤维应用于人工肌肉材料将能够有效减少由于高分子材料无序排列所导致的相互牵制而产生的能量消耗，并因此提高效率及收缩力；而超细纤维所具有的与细胞外机质相当的尺寸还使得该类人工肌肉高分子材料能够逃避生物体免疫系统的识别，从而具有良好的生物相容性，从而使得相关执行器件具有在生物体内应用的潜能；此外由于此类电纺超细纤维中可以掺杂高强度与超细纤维间存在强相互作用并且不参与形变的纳米管/杆材料，所得到的相应人工肌肉材料不仅强度提高而且形变机制可能类似于天然肌肉。为此，本发明提出基于电纺超细纤维的仿生人工肌肉并将其应用于包括传感器、执行器、机器人等领域。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料及其制备方法，该仿生人工肌肉材料能够有效改善现有人工肌肉材料的响应速度、能量转换效率等性能。
技术方案本发明的基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料其特征在于仿生人工肌肉材料由直径尺寸介于10微米～20纳米的具有伸缩功能的取向排列超细纤维薄膜组成。组成仿生人工肌肉材料的取向超细纤维薄膜通过电纺技术制备。
本发明的基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料的制备方法，包括如下步骤I)将人工肌肉高分子材料或者原料转换为粘度介于1-40P的高分子溶液或者熔融液，II)将步骤I)中溶液或者熔融液通过电纺制备为取向超细纤维薄膜，III)对步骤II)中的超细纤维进行处理使其在工作介质中保持固态的情况下具有伸缩功能。不同材料的处理方法不一样。如聚丙烯腈需要高温交联、碱液水解；而聚吡咯则仅仅需要在某种盐溶液中浸泡即可以。
电纺超细纤维仿生人工肌肉材料作为具有传感、执行功能的材料进行使用。
有益效果目前基于高分子材料的人工肌肉主要以厚度在数十微米至数毫米之间的无序混合的高分子材料薄膜的形式得到应用。当人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加电场的情况下接触离子、小分子时，小分子或者离子通过扩散进出高分子材料薄膜并导致高分子材料发生相应的构象变化从而引发形变。由于人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相对离子或者小分子的扩散太大并且需要耗时的构象变化，因此响应速度较慢，存在响应滞后效应；另一方面，由于薄膜中高分子材料无序混合，其形变方向不一致致使其中相当部分的形变能量由于不同方向形变的高分子材料之间的相互牵制或者抵消而消耗，导致这类人工肌肉高分子材料效率降低，收缩力减小。
为此，本发明模仿天然肌肉的诸多优势设计，将电纺超细纤维与通过离子、分子等扩散而形变的高分子材料结合，将可以大大缩短这类人工肌肉高分子材料响应速度的控制步骤即小分子或者离子在高分子材料内的扩散路程，从而提高相应人工肌肉材料的响应速度并降低滞后效应；而另一方面，通过取向控制而获得的取向排列电纺超细纤维应用于人工肌肉材料将能够有效减少由于高分子材料无序排列所导致的相互牵制而产生的能量消耗，并因此提高效率及收缩力。
因此将具有响应伸缩性能的高分子材料制备为取向超细纤维人工肌肉材料将能够有效改善现有传感、执行器、机器人等领域中人工肌肉材料的性能并拓展其应用范围。
图1是当肌肉伸展方向不一致(a)及一致(b)时，(方向为c)的肌肉的作用力分析。
图2是天然肌肉粗肌丝、细肌丝相对滑动模型a收缩、b复原、c伸展。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1配制20％的平均分子量为8万的聚丙烯腈N，N-二甲基甲酰胺溶液。然后通过电纺制备为尺寸为数百纳米的聚丙烯腈超细纤维。该超细纤维在220摄氏度高温交联1小时后，在1mol/l的氢氧化钠水溶液中90摄氏度处理30分钟，并在最后进行清洗、干燥即可获得由交联聚丙烯酸构成的酸碱响应型人工肌肉材料。该材料在酸性条件下收缩，在碱性条件下伸展。
实施例2配制20％的平均分子量为8万的聚丙烯腈N，N-二甲基甲酰胺溶液。然后通过采用间隔为2毫米的侧面相连的平行铁丝阵列所构成的收集装置而进行电纺制备为取向排列的尺寸为数百纳米的聚丙烯腈超细纤维。该超细纤维在220摄氏度高温交联1小时后，在1mol/l的氢氧化钠水溶液中90摄氏度处理30分钟，并在最后进行清洗、干燥即可获得取向排列的交联聚丙烯酸超细纤维构成的酸碱响应型人工肌肉材料。该材料通过控制酸碱条件能够收缩或者伸展。
实施例3配制质量浓度为20％的平均分子量为8万的聚丙烯腈及质量浓度为1％的碳纳米管的N，N-二甲基甲酰胺溶液。然后通过电纺制备为取向排列的尺寸为数百纳米的聚丙烯腈超细纤维。该超细纤维在220摄氏度高温交联1小时后，在1mol/l的氢氧化钠水溶液中90摄氏度处理30分钟，并在最后进行清洗、干燥即可获得强度改善取向排列的内含碳纳米管的交联聚丙烯酸超细纤维构成的酸碱响应型人工肌肉材料。
实施例40.15mol的十二烷基苯磺酸溶解于400毫升蒸馏水中后在剧烈搅拌下添加0.3mol的重蒸吡咯单体。往上述溶液中缓慢添加50毫升0.9mol/l的过硫酸铵水溶液后在0摄氏度反应8小时。往上述水溶液中加入大量甲醇中，即可获得可溶性聚吡咯沉淀。该聚吡咯经过过滤及水、甲醇、丙酮清洗数次后真空干燥即获得可溶性聚吡咯。将该可溶性聚吡咯配制成含10％十二烷基磺酸的质量浓度为35％的氯仿溶液并通过电纺技术制备取向聚吡咯超细纤维。该取向聚吡咯超细纤维一面蒸镀金后即可获得电化学响应型人工肌肉材料。
实施例5配制质量浓度为20％的聚偏氟乙烯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，并通过电纺技术制备为取向超细纤维。该超细纤维在0摄氏度下在质量浓度为10％的十二烷基磺酸钠的5％吡咯水溶液中浸泡约8小时后取出。经过清洗、干燥后在一面蒸金即可获得在5％十二烷基苯磺酸钠水溶液中具有电伸缩性能的电化学响应型人工肌肉材料。
权利要求
1.一种基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料，其特征在于仿生人工肌肉材料由直径尺寸介于10微米～20纳米的具有伸缩功能的取向排列超细纤维薄膜组成。
2.如权利要求1所述的基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料，其特征在于组成仿生人工肌肉材料的取向排列超细纤维薄膜通过电纺方法制备。
3.一种如权利要求1所述的基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料的制备方法，其特征在于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料的制备方法包括如下步骤I)将人工肌肉高分子材料或者原料转换为粘度介于1-40P的高分子溶液或者熔融液，II)将步骤I)中溶液或者熔融液通过电纺制备为取向超细纤维薄膜，III)对步骤II)中的超细纤维进行处理使其在工作介质中保持固态的情况下具有伸缩功能。
全文摘要
基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料的制备方法能够应用于传感、执行器、机器人等领域。仿生人工肌肉材料由直径尺寸介于10微米～20纳米的具有伸缩功能的取向排列超细纤维薄膜组成。组成仿生人工肌肉材料的取向排列超细纤维薄膜通过电纺方法制备。制备方法包括如下步骤I)将人工肌肉高分子材料或者原料转换为粘度介于1－40P的高分子溶液或者熔融液，II)将步骤I)中溶液或者熔融液通过电纺制备为取向超细纤维薄膜，III)对步骤II)中的超细纤维进行处理使其在工作介质中保持固态的情况下具有伸缩功能。该材料由于模仿天然肌肉结构，因此能够有效改善现有人工肌肉材料的响应速度、能量转换效率等性能。
文档编号D01D5/00GK101081313SQ200710024488
公开日2007年12月5日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者张继中 申请人:东南大学