本技术介绍了一种制备径向取向MXene纤维人工肌肉的方法。该方法从Ti3C2出发,通过一系列工艺步骤,实现人工肌肉的高效制备。
背景技术
当受到外界刺激(如温度、湿度、光、pH值和压力)时,人工肌肉能可逆地进行一些类似肌肉的运动,如收缩、膨胀、弯曲或旋转。在机器人、智能织物、可重构物联网设备、植入式医疗器械(如假肢)等领域具有巨大的应用潜力(Chem. Soc. Rev. 2022, 57, 2377-2290)。一般来说,可以选择不同的材料制备人工肌肉,如碳纳米管(CNTs)、天然聚合物和合成聚合物(Science, 2012, 338, 928-932)。这些扭转或盘绕的人工肌肉表现出优异的驱动性能,这是由于刺激诱导的纤维解扭机制使相邻的线圈更紧密地聚集在一起(Science,2014, 343, 868-872)。然而,这些扭转或螺旋结构人工肌肉的拉伸驱动仍较低。虽然高弹性指数的聚合物纤维或纱线可以在较小的温度下实现大的拉伸行程,但是这些高弹性指数的扭转纤维存在以下主要问题。首先,制备高弹力指数盘绕纤维人工肌肉的唯一方法是将扭转的聚合物纤维围绕一个比聚合物纤维直径大的多的芯轴盘绕(Nat. Nanotechnol.2015, 10, 1077-1083)。而问题在于,除了在肌肉盘绕之后溶解芯轴之外,目前没有关于使用芯轴制备大弹力指数纤维的相关工作。其次,这些高弹性指数肌肉的体积归一化表现,如肌肉行程时产生的机械能,远不如重量归一化表现优异(Science, 2019, 365, 150-155)。第三,人工肌肉的许多关键应用必须被编织到含有聚合物纱线的基础纺织品中,聚合物纱线的直径小于高弹簧指数纤维线圈之间的间距,因此基础纺织品纱线或肌肉线圈之间的纤维滑动可能会干扰肌肉的驱动。
过渡金属碳化物/氮化物——MXene(Ti3
C2
Tx
)是一种新型的二维(2D)纳米材料,具有优异的导电性(>105
S cm-1
)和杨氏模量(~ 0.3 TPa)。接近100%的光热转换率和快速的焦耳效应使MXene能够应用于传感器、电子设备和储能等领域(Science, 2021, 372,eabf1581)。MXene纳米片表面含有丰富的极性官能团(-OH、-F、-O),很容易与含羟基聚合物形成丰富的氢键网络。纤维素纳米纤维(CNFs)是一种具有机械强度高、表面积大的可再生植物纤维,也含有丰富的羟基官能团(Adv. Mater. 2018, 30, 1703779)。虽然将两者复合组装成薄膜实现了一些简单而微弱的横向驱动行为,但由于其驱动行为主要基于不对称双层结构引起的热膨胀差异,因此在体积或长度上表现出更大的热驱动应变仍具有挑战性。
近年来关于MXene基人工肌肉的专利较少,例如,一种自传感材料及其制备方法和在人工肌肉纤维中的应用(CN117758518A),可扭转的双螺旋纤维状人工肌肉及其制备方法(CN112921461B),芯鞘复合人工肌肉纤维体系及其制备方法与应用(CN117512838A),一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉(CN116276939A),一种多重刺激响应的液晶弹性体/MXene复合纤维软体驱动器及其制备方法与应用(CN116289170B)。但是这些人工肌肉在均需将聚合物纤维或纱线进行复杂的扭转处理,且存在响应速率低,响应类型单一的缺点。
综上所述,目前实现快速且多重刺激响应的非扭转人工肌肉仍是一个挑战。本发明采用Ti3
C2
Tx
MXene纳米片和纤维素纳米纤维作为组装基元,通过膨胀管道的针头湿纺组装制备大拉伸行程的径向取向MXene纤维人工肌肉。
实现思路