一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法

摘要

本发明属于材料科学及柔性驱动技术领域，具体涉及一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法。本发明提出一种将丙烯酸锌与乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合制备加捻人工肌肉的方法，通过丙烯酸锌与乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合形成多重交联网络，增强乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物纤维的热机械性能和双向形状记忆性能，进一步采用加捻‑热定型制备出热驱动的乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物人工肌肉复合纤维，以热刺激的方式实现其快速地旋转和收缩驱动的目的。本发明操作简单，成本低廉，高效环保，相比于其他人工肌肉材料的制备原料来源广泛。

权利要求

1.一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合物：将100phr乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物，5phr‑10phr丙烯酸锌，3phr‑5phr紫外光引发剂，3phr‑5phr助交联剂，5phr‑10phr表面活性剂，1phr‑3phr增塑剂在氮气的保护下熔融混合，冷却干燥后获得丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合物；

(2)制备交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维：将获得丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合物，在氮气的保护下熔融纺丝，获得交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维；

(3)对交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维加捻和定型，获得热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

2.根据权利要求1所述的一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸锌为二甲基丙烯酸锌；所述乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物，醋酸乙烯含量在

5wt％‑40wt％；所述紫外光引发剂为二苯甲酮；所述助交联剂为异氰脲酸三烯丙酯；所述表面活性剂为硬脂酸；所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯。

3.根据权利要求1所述的一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维的凝胶质量分数在

75％‑90％之间。

4.根据权利要求1所述的一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将未卷绕的交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维两端固定在手摇或电动加捻机上进行加捻，之后将螺旋状的复合纤维在80℃‑100℃下热定型

2min‑5min得到热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

5.一种由权利要求1‑4任一项所述制备方法制得的热驱动型加捻人工肌肉复合纤维，其特征在于，所述热驱动型人工肌肉复合纤维的热驱动温度为50℃‑100℃。

说明书

一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料科学及柔性驱动技术领域，具体涉及一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维及其制备方法。

背景技术

[0002] 人工肌肉纤维是一种新型的纤维状柔性驱动材料，它能在外界刺激下(热、电、光、磁场以及湿度等)产生机械位移或输出力，并驱动目标物体产生诸如收缩、伸长、弯曲、扭转
和旋转等运动姿态。纤维状人工肌肉具有优异的机械强度、良好的结构柔韧性和丰富的可
设计性等优势，有望代替传统刚性驱动器，在生物医药辅助系统、软体机器人、柔性机械设
备和柔性传感器等领域具有良好的应用前景。

[0003] 形状记忆聚合物是一种智能响应型高分子材料，其在外界刺激下具有形状记忆效应。乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是制备形状记忆聚合物的常用材料，其热刺激响应温度
随着VA含量的变化而变化。当前，利用化学交联EVA的结晶‑熔融转变已经实现了双向形状
记忆效应，即热驱动的应变(或应力)的双向可逆变化。然而，化学交联EVA的形状记忆聚合
物仍存在力学性能低，热机械性能不稳定，明显的应力松弛效应，和恢复应力低等不足。

发明内容

[0004] 本发明主要解决的技术问题是：针对目前形状记忆EVA纤维材料力学性能低，热机械性能不稳定的问题，提出利用丙烯酸锌作为反应性填料，其分子结构中包括两个不饱和
的乙烯基基团，且丙烯酸锌自聚合易形成纳米或微米级聚集体，可以与EVA基体形成稳定的
化学结合和良好的界面结合作用，进而提高EVA纤维的交联密度和热机械性能，用于设计热
驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

[0005] 本发明主要解决的技术问题通过以下技术方案实施：

[0006] (1)制备丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合物：按照一定比例将100phr乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物，5phr‑10phr丙烯酸锌，3phr‑5phr紫外光引发剂，3phr‑5phr助交联剂，
5phr‑10phr表面活性剂，1phr‑3phr增塑剂加入到密炼机或双螺杆挤出机中，在氮气的保护
下熔融混合，产物冷却干燥后造粒储存。其中，phr表示重量份。

[0007] (2)制备交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维：将上述步骤得到的复合物颗粒加入到熔融纺丝机中，在氮气的保护下熔融纺丝，通过紫外光固化设备制备交联
复合纤维。

[0008] (3)对交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维加捻和定型，得到热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

[0009] 所述丙烯酸锌为二甲基丙烯酸锌；所述乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物(EVA)，醋酸乙烯含量在5wt％‑40wt％；所述紫外光引发剂为二苯甲酮；所述助交联剂为异氰脲酸三烯丙酯；
所述表面活性剂为硬脂酸；所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯。

[0010] 所述的交联复合纤维的凝胶质量分数在75％‑90％之间。

[0011] 进一步的，步骤3具体为：将未卷绕(伸直态)的交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维(2股及2股以上)两端固定在手摇或电动加捻机上进行加捻，之后将螺旋状的
复合纤维在80℃‑100℃下热定型2min‑5min得到热驱动型加捻人工肌肉复合纤维。

[0012] 所述的热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的捻度(turns/m)根据加捻机旋转的圈数(turns)和复合纤维长度(m)计算。

[0013] 所述的热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的热驱动温度为50℃‑100℃。

[0014] 与现有技术相比，本发明提供的一种热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的制备方法，操作简单，成本低廉，高效环保，相比于其他人工肌肉材料的制备原料来源广泛。

附图说明

[0015] 图1(a和b)分别是交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维的形状记忆性能曲线和等应变模式下回复应力曲线，(c)是未添加丙烯酸锌的乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物纤
维的等应变模式下回复应力曲线；

[0016] 图2为交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维加捻‑定型结构照片；

[0017] 图3为热驱动型加捻交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物人工肌肉复合纤维的驱动行为示意图；

[0018] 图4为热驱动型加捻人工肌肉复合纤维最大驱动转速与捻度关系图。

具体实施方式

[0019] 本发明旨在提高EVA纤维的热机械性能，增强EVA纤维的形状记忆效应和恢复应力，进一步通过加捻‑定型的方式提高形状记忆EVA纤维储存和转化外界能量的能力，提出
一种将丙烯酸锌与乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合制备热驱动型加捻人工肌肉复合纤维的方
法。具体通过制备丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合物，采用熔融纺丝和紫外光固化
制备交联丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合纤维，继而通过加捻‑定型制备出热驱动
型加捻人工肌肉复合纤维。下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述：

[0020] 实施例1

[0021] 分别将100g乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物、5g丙烯酸锌、3g二苯甲酮、3g异氰脲酸三烯丙酯、5g硬脂酸和1g邻苯二甲酸二辛酯加入到密炼机中，在氮气的保护下130℃熔融混合
5min，将混合后的产物冷却干燥后造粒储存。

[0022] 将混合好的丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合材料，加入到熔融纺丝机中制备出复合纤维，复合纤维在紫外光固化设备中交联，最终测试交联复合纤维的凝胶质量分
数为78％。结合图1(a和b)，交联复合纤维具有优异的热机械稳定性，其循环稳定性良好，等
应变(拉伸应变为5％)模式下，交联复合纤维在80℃的驱动温度下的回复应力可达
2.03MPa。而没有添加丙烯酸锌的纤维，其等应变(拉伸应变为5％)模式下的回复应力仅为
1.57MPa，如图1(c)所示。

[0023] 剪取两股交联的复合纤维，长度为300mm，两端固定在手摇加捻机上匀速旋转150圈，之后将其置于80℃的烘箱保温5min得到捻度为500turns/m的加捻人工肌肉复合纤维。
如图2所示，加捻度依次增加，加捻人工肌肉复合纤维的螺旋型结构保持稳定。

[0024] 实施例2

[0025] 分别将500g乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物、40g丙烯酸锌、20g二苯甲酮、25g异氰脲酸三烯丙酯、35g硬脂酸和10g邻苯二甲酸二辛酯加入到挤出机中，在氮气的保护下130℃熔融混
合挤出，将混合后的产物冷却干燥后造粒储存。

[0026] 将混合好的丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合材料，加入到熔融纺丝机中制备出复合纤维，复合纤维在紫外光固化设备中交联，最终测试交联复合纤维的凝胶质量分
数为80％。

[0027] 剪取两股交联的复合纤维，长度为300mm，两端固定在手摇加捻机上匀速旋转180圈，之后将其至于90℃的烘箱保温3min得到捻度为600turns/m的加捻人工肌肉复合纤维。

[0028] 实施例3

[0029] 分别将1000g乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物、100g丙烯酸锌、50g二苯甲酮、50g异氰脲酸三烯丙酯、100g硬脂酸和30g邻苯二甲酸二辛酯加入到挤出机中，在氮气的保护130℃熔融
混合挤出，将混合后的产物冷却干燥后造粒储存。

[0030] 将混合好的丙烯酸锌/乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物复合材料，加入到熔融纺丝机中制备出复合纤维，复合纤维在紫外光固化设备中交联，最终测试交联复合纤维的凝胶质量分
数为85％。

[0031] 剪取两股交联的复合纤维，长度为200mm，两端固定在加捻机上匀速旋转140圈，之后将其至于100℃的烘箱保温2min得到捻度为700turns/m的加捻人工肌肉复合纤维。

[0032] 实施例4

[0033] 对不同捻度的热驱动型加捻人工肌肉复合纤维(500‑700为实施例1‑3制得，其余捻度制备参见实施例1)进行热驱动测试，测试步骤如图3示意，将两股加捻后的人工肌肉纤
维下端悬挂20g砝码，记录热空气加热时(80℃)，砝码旋转运动的最大转速，每个捻度重复5
次，结果如图4所示，其单位长度的驱动转速最大为9900(rpm/m)，且最大转速与捻度之间存
在良好的线性关系。

[0034] 以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视
为本发明的保护范围。