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静电纺丝制备纱线“人工肌肉”

已有 885 次阅读 2019-7-9 14:46 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

最近,《中国科学: 技术科学》英文版(Science China Technological Sciences)发表了题为“Light-driven artificial muscles based on electrospun microfiber yarns”的研究论文,报道了利用静电纺丝方法制备纱线“人工肌肉”的最新进展。

东华大学先进功能材料课题组(pilab.dhu.edu.cn/afmg)研究人员以碳纳米管(CNT)掺杂的聚氨酯(PU)溶液为纺丝液,利用取向收集方式,得到了可进行多级加捻处理的纱线,并研究了其在红外线照射下的伸缩可控行为及其在人工肌肉方面的潜在应用。结果显示,该纱线能够在远红外照射下产生6.7%的线性伸缩幅度,并能够稳定重复1000次以上

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纱线的取向结构以及碳纳米管在单根纤维中的形貌

SEM结果显示PU/CNT纱线呈现良好的统一取向结构,单根纤维的直径基本分布在1 μm左右,CNT能够均匀地嵌入在PU纤维中,不发生明显的聚集,保证了整体纱线的力学强度不受较大影响。纱线在螺旋加捻后需要在一定温度下进行热处理以稳定其形态。

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纱线的螺旋结构及其力学伸缩性能

通常,无序随机收集到的静电纺丝纱线,其力学性能较差。对于无序收集到的纱线,虽然其断裂伸长率达到236%,但是其断裂强度仅为4.8 MPa。研究人员通过使用高速滚筒作为收集器,得到了具有高度取向的纱线,其断裂强度提高到了43.2 MPa。另外,加捻的各项参数对纱线的远红外响应伸缩性能也有影响。当纱线分别在1 MPa,2 MPa和3 MPa下进行加捻时,其伸缩幅度为6.7%,4.8%和3.2%。

由于纱线中的碳纳米管具有良好的红外吸收能力,在红外光的照射下,纱线能够在6 s内迅速升温至60℃左右,并能够在10 s内迅速降至室温。纱线的螺旋结构以及CNT/PU纤维的高取向性,能够将热胀冷缩在轴向上放大体现出来。将该纱线一端固定,一端悬挂一定重量的物体,可明显观察到纱线的伸缩致动行为。

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人工肌肉纱线在红外下的伸缩响应行为

由于该“人工肌肉”纱线只需要远红外照射就能驱动及其良好的生物相容性,因此在无线控制、生物医疗等领域显示出潜在的应用前景。




点击下方链接免费读全文:

Light-driven artificial muscles based on electrospun microfiber yarns

Sci China Tech Sci, 2019, 62: 965–970

https://doi.org/10.1007/s11431-018-9413-4

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCTS/62/6/10.1007/s11431-018-9413-4?slug=fulltext


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