一种高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法

本发明属于功能材料，具体涉及一种高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维、制备方法及用于提高柔性驱动器性能的解决方法。

背景技术：

1、人工肌肉是下一代软体机器人中柔性驱动器的关键组件，可以模仿人体的复杂运动，相比传统的刚性驱动器，其具有优越的灵活性、操作安全性和环境适应性等。

2、液晶弹性体是液晶聚合物经适当交联后形成的一种高分子聚合物，兼备液晶的有序性、流动性与弹性体的软弹性，在外界刺激（如热、光、电、ph值）下能表现出明显的可逆变形（如拉伸、旋转、弯曲），被认为是最有前途的人工肌肉材料之一。特别的，间接热刺激可将光、电等外部能量转化的热能，通过局部热响应实现选定区域内的远程和非接触式精确驱动，从而使液晶弹性体完成复杂的运动模式。然而，间接热刺激驱动纯液晶弹性体存在热扩散及散热效率低的关键问题，严重限制了柔性驱动器的响应时间和运动带宽。

3、light-driven core-shell fiber actuator based on carbon nanotubes/liquid crystal elastomer for artificialmuscle and phototropic locomotion.[j]carbon 187 (2022)97~107.公开了一种基于碳纳米管/液晶体弹性体的光驱动核壳型纤维人工肌肉与光致动器，其由液晶体弹性体（lce）纤维和包裹在外侧的碳纳米管（cnts）外壳构成的cnts@lce纤维结构，可以充当人工肌肉。该文章中所采用的制备方法是先制备出定向的液晶弹性体纤维，然后通过将定向的液晶弹性体纤维浸泡在cnts/ch2cl2分散液（0.5mg/ml）中超声处理，并在室温真空中蒸发出ch2cl2溶剂，得到了cnts@lce纤维结构。

4、由于该方法是先制备出液晶弹性体纤维然后再进行浸泡超声复合，那么由于浸泡超声容器的限制，很难用于大规模的生产制造。另外，该方法无法选择性的对纤维的某一侧进行复合，无法制备出各种带有不同伸缩方向限制的肌肉纤维。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，该方法的具体步骤为：

2、步骤1：将液晶弹性体预制棒单侧或全部浸泡在碳纳米材料/二氯甲烷悬浮液中，超声处理1~2小时；碳纳米材料/二氯甲烷悬浮液的浓度为5~15mg/ml；所述的碳纳米材料选自石墨烯、碳纳米管中的一种，优选为多层石墨烯；

3、步骤2：将步骤1处理后的液晶弹性体预制棒置于真空干燥箱，25℃真空干燥2~4小时以蒸除二氯甲烷；

4、步骤3：将步骤2处理后的液晶弹性体预制棒底部悬挂20g负重砝码，置于加热炉中央，并加热至变形状态；加热炉温度根据液晶弹性体预制棒的流变特性确定；

5、步骤4：液晶弹性体预制棒底部在负重作用下形成颈缩区域，缓慢拉动形成纤维；

6、步骤5：开启加热炉上端步进电机使预制棒不断送入加热区，将纤维夹紧于加热炉下方的一对定速滚轮上，拉制具有高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维；

7、进一步的，该方法还包括步骤6：将步骤5拉制的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维加捻扭曲成束，可产生更高的机械性能。

8、由于最终制得的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维形状与预制棒形状相同，因此步骤1中液晶弹性体预制棒的形状可根据最终制得的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维形状选择，优选为圆柱体或长方体。

9、所述步骤1的超声处理时长与液晶弹性体预制棒表面包覆碳纳米材料厚度成正比，直至达到稳定的饱和厚度。

10、所述步骤3的加热炉加热温度优选为300~350℃。

11、所述步骤5的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维直径与预制棒直径、预制棒进给速度及定速滚轮拉丝速度有关，由下关系式得出。

12、

13、式中，为碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维直径/宽（毫米），为液晶弹性体预制棒形直径/宽（毫米）， 预制棒进给速度（毫米/分钟），为定速滚轮拉丝速度（毫米/分钟）。

14、本发明的有益效果：

15、1、本发明制备了一种与骨骼肌肌纤维非常相似的响应特性优异的碳纳米/液晶弹性体仿生肌肉纤维。其显著优势在于该仿生肌肉纤维能够充分结合碳纳米材料的导热能力与液晶弹性体的热收缩特性，在作为具有仿生特征的人工肌肉纤维实现快速热响应及向热运动，以及作为柔性驱动器控制带负载的肘部和夹持器等方面具有重要的应用价值。

16、2、本发明先将碳纳米材料包覆在液晶弹性体预制棒表面，利用碳纳米材料的高导热能力，使碳纳米/液晶弹性体预制棒在受热时热量能均匀分布，使碳纳米/液晶弹性体预制棒在采用热拉成型法拉制时更能保证拉伸出的碳纳米/液晶弹性体仿生肌肉纤维与预制棒的形状相同而不发生改变。

17、3、本发明方法可以通过在浸泡时选择将液晶弹性体预制棒部分或全部浸入悬浮液中，使热拉成型后的仿生肌肉纤维表现出差异性的向热弯曲特性。吸附在液晶弹性体预制棒表面的碳纳米材料可以显著提高液晶弹性体在间接热刺激下的响应特性，实现响应时间≤0.5秒，运动带宽≥0.2赫兹。

18、4、作为本发明优选的石墨烯，由于石墨烯还具有优异的机械性，使本发明方法所制备的仿生肌肉纤维负载/自重≥3000倍，循环寿命≥500次。

19、5、碳纳米/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备过程无需表面修饰等二次复杂加工，一次热拉成型，制备周期短，步骤简便，可以实现连续加工，适合大规模生产。

技术特征：

1.一种高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，该方法还包括步骤6：将步骤5拉制的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维加捻扭曲成束，可产生更高的机械性能。

3.根据权利要求1所述的高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中液晶弹性体预制棒的形状根据最终制得的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维形状选择。

4.根据权利要求1所述的高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，液晶弹性体预制棒的形状为圆柱体或长方体。

5.根据权利要求1所述的高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1中通过超声处理时长控制液晶弹性体预制棒表面包覆碳纳米材料厚度。

6.根据权利要求1所述的高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3的加热炉加热温度为300~350℃。

7.根据权利要求1所述的高响应特性的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤5的碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维直径与预制棒直径、预制棒进给速度及定速滚轮拉丝速度有关，由下关系式得出：

8.式中，为碳纳米材料/液晶弹性体仿生肌肉纤维直径/宽（毫米），为液晶弹性体预制棒形直径/宽（毫米），为预制棒进给速度（毫米/分钟），为定速滚轮拉丝速度（毫米/分钟）。

技术总结
本发明提出了一种高响应特性的高导热颗粒/液晶弹性体仿生肌肉纤维的制备方法，属于功能材料技术领域。本发明先将高导热颗粒包覆在液晶弹性体预制棒表面，利用了高导热颗粒的导热能力，使液晶弹性体预制棒在采用热拉成型法拉制时能够保持受热部位均匀的拉伸，并通过在浸泡时选择将液晶弹性体预制棒部分或全部浸入悬浮液中，使热拉成型后的仿生肌肉纤维表现出差异性的向热弯曲特性。本发明方法可以实现连续加工，适合大规模生产。所制备的仿生肌肉纤维保持了表现出较高的间接热刺激响应特性，作为柔性驱动器控制带负载的肘部和夹持器等方面在医学装置、运动辅助、仿生材料等领域具有重要的应用价值。

技术研发人员：商震,李凯伟,王哲,马愫倩,钱志辉,任雷
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/28