【摘要】：近年來智能紡織品取得了令人振奮的進展,智能織物能夠從環(huán)境中感知刺激,并通過整合織物結(jié)構(gòu)中的功能來對這些刺激作出反應(yīng)。將傳統(tǒng)紡織技術(shù)和纖維型人工肌肉相結(jié)合是實現(xiàn)紡織品智能功能的方法之一。但是,目前文獻報道的用于制備人工肌肉的材料因為價格昂貴,制備涉及復(fù)雜的化學(xué)過程等缺點而難以進行商業(yè)化。相比之下,天然紡織纖維成本低、舒適性好,更能引起研究者的興趣。本文基于蠶絲纖維吸濕后產(chǎn)生的巨大體積膨脹,通過對蠶絲纖維加捻、對折自捻合和熱定型,分別制備了扭轉(zhuǎn)和伸縮型蠶絲人工肌肉,并對其驅(qū)動性能及在智能織物等方面的應(yīng)用進行了研究。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.在室溫下,通過在H_2SO_4溶液或NaOH溶液中浸泡的方式對蠶絲進行脫膠。其中,堿浸泡可以達到良好的脫膠效果,并且脫膠對蠶絲的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和力學(xué)強度基本上沒有影響。2.通過分子動力學(xué)模擬,證明了蠶絲蛋白中鏈-鏈氫鍵的減少導(dǎo)致了纖維的體積膨脹。除此之外,水還促進了蛋白二級結(jié)構(gòu)中隨機線圈向有序二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。二維X射線衍射實驗和蠶絲的吸水動力學(xué)實驗也證實了這一轉(zhuǎn)變。蠶絲的力學(xué)性質(zhì)對濕度有很強的依賴性,濕度越大,斷裂應(yīng)力越小,斷裂應(yīng)變越大。3.雙螺旋蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉:對蠶絲纖維加捻后再對折使其自捻合可以制備出具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的蠶絲扭轉(zhuǎn)人工肌肉。當(dāng)暴露在水霧中時,該蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉提供了一個完全可逆的扭轉(zhuǎn)行程,最大旋轉(zhuǎn)速度和扭轉(zhuǎn)角分別為1125 rpm和547°/mm,同時提供63.0 mN m/kg的力矩�？梢酝ㄟ^改變加捻密度、負載、水霧濃度、pH和蠶絲根數(shù)等方式調(diào)節(jié)蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉的驅(qū)動性能。4.單股蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉:通過對加捻的蠶絲纖維進行熱定型的方式制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不退捻的單股蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉。進一步研究了熱定型對蠶絲纖維結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響。單股蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉對濕度非常敏感,本文研究了該肌肉在不同濕度下的驅(qū)動性能,并對驅(qū)動產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角進行了理論計算,計算結(jié)果和實驗結(jié)果比較吻合。5.卷繞型蠶絲伸縮肌肉:在雙螺旋蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉的基礎(chǔ)上,經(jīng)過進一步的卷繞和熱定型即可獲得卷繞型蠶絲伸縮肌肉。蠶絲伸縮肌肉的驅(qū)動性能可以通過改變肌肉手性、加捻密度、彈簧系數(shù)和線圈間距來調(diào)節(jié)。濕度增加時,同手性肌肉通過收縮來實現(xiàn)驅(qū)動,而異手性肌肉通過伸長來實現(xiàn)驅(qū)動。隨著加捻密度、彈簧系數(shù)或濕度的增加,蠶絲伸縮肌肉的最大變形單調(diào)增加。當(dāng)環(huán)境濕度從20%變化到80%時,蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70%。彈簧系數(shù)為4.5的蠶絲伸縮肌肉收縮驅(qū)動時的最大做功為1.9 J/kg,足以滿足其作為智能織物的應(yīng)用。6.利用蠶絲人工肌肉實現(xiàn)了包括智能窗戶、柔軟機器人、天然濕度計和智能織物的應(yīng)用。其中,智能織物在水分和熱量管理方面將帶給人類不一樣的體驗。智能織物感應(yīng)到穿著者的汗水后能夠立即做出反應(yīng),縮短長度(45%),便于穿著者散熱,增加皮膚和織物之間的舒適性。
【圖文】：

扭曲纖維的可逆解捻。這一過程可以通過一根代表單個聚合物鏈的繩子解，它被纏繞在一個直徑固定的桿上，并固定到這根桿的兩端。如果繩子，要使桿長不變，則桿必須解捻。同樣，一根固定長度的繩子，纏繞在一定長度的桿上，當(dāng)桿直徑增大時，也會使桿解捻。對于尼龍等纖維，長度和徑向膨脹會使纖維發(fā)生解捻。更普遍地說，任何在半徑上的膨脹大于長縮的取向纖維(在加捻之前)都可以發(fā)生解捻，形成一個扭轉(zhuǎn)致動器，只需維進行加捻即可�；旌咸技{米管紗線是這種效應(yīng)的特例。雖然純碳納米管紗線也提供各向熱膨脹，但是在加熱過程中，碳納米管長度收縮和紗線直徑膨脹就像石墨的面內(nèi)和面間膨脹一樣，這種尺寸變化很小，只有當(dāng)紗線在極端溫度范圍熱才能產(chǎn)生有用的驅(qū)動。然而，通過在扭曲的碳納米管紗線內(nèi)滲透容易產(chǎn)積膨脹的客體，大的、最初各向同性的客體膨脹可以被扭曲排列的高剛度米管轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋缘募喚�膨脹，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)驅(qū)動。除了熱驅(qū)動和混合紗線外，溶劑/氣體吸收、電荷注入等也能引起紗線體脹，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)驅(qū)動。

圖 1.2 碳納米管人工肌肉三電極體系[36]2012 年，德克薩斯大學(xué)達拉斯分校的 Lima 等人[13]將石蠟填充的碳納米度加捻、螺旋卷繞研制出了一種纖維人工肌肉，其結(jié)構(gòu)如下圖 1.3 所示。復(fù)合人工肌肉中，主體材料為多壁碳納米管，客體材料為石蠟，其中石蠟高的熱膨脹系數(shù)。直接加熱、通電或者光照時，石蠟發(fā)生體積膨脹，該人肉直徑增大，長度縮短，，進而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和收縮。當(dāng)該肌肉的負載超過本身的 10 萬倍時，這種肌肉仍然能夠有效驅(qū)動，提供的機械功率超過自然骨骼 85 倍以上。
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R318.17

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本文編號：2645702