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电热驱动的复合尼龙螺旋纤维人工肌肉

高分子材料科学与工程 2022年第7期38卷 136-142页

作者：朱震东汪映寒秦家强程沛四川大学高分子科学与工程学院四川成都610065

采用镀银尼龙纤维自加捻,并与常规尼龙纤维共加捻,分别制备了2种电热驱动的尼龙螺旋纤维人工肌肉。通过编程输入电的频率、大小和循环次数系统地研究了2种聚合物纤维人工肌肉的驱动行为。结果表明,通过共加捻能调控复合尼龙螺旋纤维人... 详细信息

采用镀银尼龙纤维自加捻,并与常规尼龙纤维共加捻,分别制备了2种电热驱动的尼龙螺旋纤维人工肌肉。通过编程输入电的频率、大小和循环次数系统地研究了2种聚合物纤维人工肌肉的驱动行为。结果表明,通过共加捻能调控复合尼龙螺旋纤维人工肌肉的电阻特性,在相同的输入电功率下,复合尼龙螺旋纤维人工肌肉产生更高的温度从而表现出更好的驱动性能。镀银尼龙螺旋纤维人工肌肉表现出6.34%的最大驱动形变、382 J/kg的最大能量密度和468 W/kg的最大功率密度。复合尼龙螺旋纤维人工肌肉表现出7.42%的最大驱动形变、428 J/kg的最大能量密度和531 W/kg的最大功率密度。2种聚合物纤维人工肌肉的驱动循环均能超过1万次,且驱动形变无明显衰减。

关键词：共加捻螺旋纤维人工肌肉电热驱动

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螺旋纤维的制备与表征

螺旋纤维的制备与表征

作者：孙军海西南交通大学

学位级别：硕士

螺旋纤维作为手征性材料的典型代表,具有成份、结构、形貌、电磁和手征参数可调的显著优势,成为近年来研究的热点。本论文以酒石酸铜为纳米铜催化剂前驱体,通过化学气相沉积法,在250℃反应条件下催化乙炔制备出了规整的纳米螺旋纤维。... 详细信息

螺旋纤维作为手征性材料的典型代表,具有成份、结构、形貌、电磁和手征参数可调的显著优势,成为近年来研究的热点。本论文以酒石酸铜为纳米铜催化剂前驱体,通过化学气相沉积法,在250℃反应条件下催化乙炔制备出了规整的纳米螺旋纤维。通过改变反应温度、升温速率和气流量可以简单地控制螺旋纤维的形貌结构。采用SEM和TEM研究了纳米螺旋纤维在铜纳米粒子上的生长方式。纳米螺旋纤维以铜纳米粒子为中心呈镜像对称方式生长:两根螺旋纤维具有相同的螺径、螺距、螺旋圈数和纤维直径,但其旋向相反。螺旋纤维在生长过程中纤维形状可能发生改变。纳米铜粒子催化剂在纤维生长过程中形状发生改变,由球形、椭圆形和无规则形状向菱形、三角形、四边形和多边形等规则的多面体形状转变。纤维制备过程中催化剂粒子的形状和尺寸对纤维形貌有较大的影响,一般小而规则多面体的催化剂有利于生长成纳米螺旋纤维。铜纳米粒子吸附乙炔导致表面能发生变化是催化剂形状发生改变的驱动力。通过XRD,IR和元素分析发现,制备得到的螺旋纤是一种类似于聚乙炔的聚合物,呈现非晶态。螺旋纤维通过纳米铜粒子催化剂吸附催化乙炔,以聚合方式生长,伴有副反应发生。随着反应温度的提高,螺旋纤维的化学结构变化不大,C/H摩尔比率升高。实验条件下制备的螺旋纤维为绝缘体,具有室温铁磁性。

关键词：螺旋纤维制备表征纳米铜催化剂聚合生长

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聚氨酯TPU种类对芳纶螺旋纤维形成的影响

材料科学与工程学报 2019年第4期37卷 636-640,671页

作者：马千淇武会会宁波大学物理科学与技术学院浙江宁波315211 宁波大学潘天寿建筑与艺术设计学院浙江宁波315211

选用拜耳聚氨酯Desmopan2590A(TPU1)和巴斯夫聚氨酯2180A10(TPU2)两种不同类型弹性聚合物材料作为弹性组分,与刚性组分聚间苯二甲酰间苯二胺(Nomex)进行纺丝实验,探讨了不同类型聚氨酯材料分子结构、分子链硬度以及与Nomex界面间相容性... 详细信息

选用拜耳聚氨酯Desmopan2590A(TPU1)和巴斯夫聚氨酯2180A10(TPU2)两种不同类型弹性聚合物材料作为弹性组分,与刚性组分聚间苯二甲酰间苯二胺(Nomex)进行纺丝实验,探讨了不同类型聚氨酯材料分子结构、分子链硬度以及与Nomex界面间相容性对螺旋纤维形成的影响。本研究发现拜耳聚氨酯TPU1属于聚酯型聚氨酯,其内部含有大量极性大的酯基,易与Nomex之间形成氢键,使Nomex/TPU两溶液界面间有一定的相容性。

关键词：聚氨酯种类螺旋纤维分子结构分子链硬度界面相容性

螺旋纤维复合材料的结构设计与强韧性能关系的研究

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螺旋纤维复合材料的结构设计与强韧性能关系的研究

作者：常新好四川大学

学位级别：硕士

目前,合成的高分子材料往往存在韧性与强度不匹配的问题,以热固性树脂为代表的高强高模材料往往具有的脆性问题,以橡胶为代表的高弹柔性材料难以同时具有较高的强度。为了克服这些问题以及获得特殊性能的材料,通常会选择加入其他组分从... 详细信息

目前,合成的高分子材料往往存在韧性与强度不匹配的问题,以热固性树脂为代表的高强高模材料往往具有的脆性问题,以橡胶为代表的高弹柔性材料难以同时具有较高的强度。为了克服这些问题以及获得特殊性能的材料,通常会选择加入其他组分从而制备复合材料,例如纤维、碳管、纳米粒子等。然而他们大多数仍旧面临着在强度和韧性之间的取舍。因此,寻求制备高强高韧复合材料的新方法一直是研究的热点。在自然界中,具有较弱组成成分的天然复合材料例如贝壳、骨头和木材却具有质轻、强且韧等杰出的机械性能,它们层次结构是他们具有高强高韧的原因,这种依靠物理结构和堆砌排列的方式使他们成为高强高韧的材料。基于以上问题和生物材料的启发,为能制备出具有高强高韧的高分子复合材料,本文设计改变纤维的物理形态,以螺旋纤维的新型结构加入到热固性树脂(环氧树脂)以及橡胶(硅橡胶)基体中,制备同时具有高强度和高耐冲击性能的螺旋纤维/环氧树脂以及同时具有高弹性和高强度的螺旋纤维/硅橡胶复合材料。研究了螺旋纤维/环氧树脂复合材料的力学强度和抗冲击性能,并利用有限元分析(FEA)、扫描电镜(SEM)和动态力学分析(DMA)等分析了增韧机理。改变制备螺旋纤维方式、螺旋纤维铺层以及表面处理增强力学性能与抗冲击性。此外,通过研究螺旋纤维/硅橡胶的力学性能和耐疲劳性能,建立了基体弹性与螺旋纤维参数的匹配关系以及界面改性后的力学性能,具体工作分为以下三个部分:(1)将尼龙单丝纤维通过加捻的方式制备成螺旋材料,进而与环氧树脂复合制备成加捻型螺旋纤维/环氧树脂复合材料。通过控制螺旋纤维的参数,研究了复合材料的韧性与强度之间的关系。随着螺距的增大和螺旋纤维角度的减小,其抗冲击性有规律地提高。当预拉伸程度为40%时,复合材料在保持高的机械强度下,单层复合材料的冲击韧性提高了150%。通过有限元,扫描电镜和动态力学分析提出并验证了增韧机理所提出的增韧机理进行了验证,包括三维应力分散、互锁结构界面和粘弹性弹簧聚合物的能量吸收。(2)通过缠绕热处理的方式制备了相同尺寸的螺旋纤维,减小了复合材料内应力,制备的缠绕型螺旋纤维/环氧树脂复合材料同样在不牺牲强度的前提下,冲击韧性提高了273%;通过螺旋纤维的铺层结构设计提高了螺旋纤维/复合材料的冲击性能,在双层铺层情况下,加捻型复合材料的冲击韧性提高了320%,缠绕型复合材料提高了473%,在三层铺层结构下,加捻型复合材料冲击韧性提高了450%,缠绕型复合材料提高了551%;纤维表面氟化处理后,单层加捻型复合材料的冲击韧性提高了310%。(3)将缠绕型螺旋纤维添加到硅橡胶中,在保持橡胶高弹性的同时,螺旋纤维在高拉伸量时显现出强度的大幅度提升。当复合材料中螺旋纤维预拉伸量为80%时,复合材料的最大拉伸强度为2.65MPa,比纯样增加327%,比直纤复合材料增加119%。螺旋复合材料的断裂伸长率为595%,比纯样增加39%,比直纤复合材料增加52%。除此之外,复合材料具有较好的耐疲劳性能,与直纤增强材料比具有较好的循环稳定性和断裂强度(循环后)。研究了橡胶基体弹性与预拉伸螺旋纤维程度的匹配关系;通过KH550处理螺旋纤维获得的橡胶复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均得到了提升,在受到循环载荷时产生的滞后圈缩小,循环性能得到了提升。

关键词：复合材料螺旋纤维环氧树脂硅橡胶高强高韧耐循环抗冲击增韧原理

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金龟子外甲壳的螺旋纤维管道微结构

功能材料 2004年第Z1期35卷 2394-2396页

作者：陈斌吴晓金吴新燕彭向和范镜泓重庆大学资源及环境科学学院工程力学系重庆40044 重庆大学资源及环境科学学院工程力学系重庆40044 重庆大学资源及环境科学学院工程力学系重庆40044 重庆大学资源及环境科学学院工程力学系重庆40044 重庆大学资源及环境科学学院工程力学系重庆40044

通过扫描电镜观察了金龟子甲壳内部的微观结构,发现其基本材料是一种几丁质纤维增强角质化蛋白质的复合材料,其纤维铺层平行于甲壳的表面,在甲壳中存在刺状纤维及螺旋纤维管道等独特微结构.通过模型分析了螺旋纤维管道的最大拔出力,结... 详细信息

通过扫描电镜观察了金龟子甲壳内部的微观结构,发现其基本材料是一种几丁质纤维增强角质化蛋白质的复合材料,其纤维铺层平行于甲壳的表面,在甲壳中存在刺状纤维及螺旋纤维管道等独特微结构.通过模型分析了螺旋纤维管道的最大拔出力,结果表明螺旋纤维管道微结构对保持功能元件的强韧性有重要作用.

关键词：金龟子甲壳自然生物复合材料螺旋纤维纤维拔出力

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仿生螺旋纤维编织技术与编织机械

仿生螺旋纤维编织技术与编织机械

作者：顾金霞吉林大学

学位级别：硕士

归纳了仿生纤维以及仿生纤维制造技术的国内外发展概况,总结了仿生纤维的制造技术和应用领域。分析归纳了现有的大电流定型法、喷丝板孔挤压法、纤维束预浸带法、化学气相沉积法等仿生纤维加工技术及其存在的问题。本论文工作选取竹纤... 详细信息

归纳了仿生纤维以及仿生纤维制造技术的国内外发展概况,总结了仿生纤维的制造技术和应用领域。分析归纳了现有的大电流定型法、喷丝板孔挤压法、纤维束预浸带法、化学气相沉积法等仿生纤维加工技术及其存在的问题。本论文工作选取竹纤维作为螺旋纤维的仿生对象,以竹纤维外层纤丝的结构为仿生原型制造仿生纤维。并在上述工作基础上,运用Auto CAD软件设计制造了一台能以不同的天然生物纤维为原料、按照不同的螺旋升角、连续自动编织仿生螺旋纤维的编织机。进行了仿生螺旋纤维编织机的试验研究,探索了影响仿生螺旋纤维成形的因素,并对其设计、制造的合理性和可靠性进行了验证。对仿生螺旋纤维编织机所制造的不同原料、不同螺旋升角的仿生纤维进行了拉伸性能试验。并对试验数据中的断裂负荷、断裂伸长量进行统计分析,揭示了仿生螺旋纤维拉伸力学特性,为仿生螺旋纤维的应用提供了一定的理论依据。

关键词：仿生学螺旋纤维编织机械拉伸性能

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微纳米螺旋纤维的制备方法研究

微纳米螺旋纤维的制备方法研究

作者：马海理东华大学

学位级别：硕士

大自然就像一个魔法师,创造了各种精细而美妙的生物结构,它们赋予了生物体独特的功能。其中,螺旋结构因其三维的几何结构、良好拉伸性和形状回复性能,不断激发人类的创造灵感。螺旋结构是一种多级结构,其与微纳米纤维结合形成的微纳米... 详细信息

大自然就像一个魔法师,创造了各种精细而美妙的生物结构,它们赋予了生物体独特的功能。其中,螺旋结构因其三维的几何结构、良好拉伸性和形状回复性能,不断激发人类的创造灵感。螺旋结构是一种多级结构,其与微纳米纤维结合形成的微纳米螺旋纤维,除了保持微纳米纤维具有的高比表面积、高空隙率等性能外,还增添了优异的弹性和柔性,螺旋的空间结构还可以提供更多的空腔。基于这些优异的性能,微纳米螺旋纤维具有极大的潜在应用价值。本文应用熔喷和静电纺丝技术,主要探讨了两种制备微纳米螺旋纤维的方法。首先,基于双组分纺丝方法,利用组分间的刚性差异形成的不对称收缩或伸长制备微纳米螺旋纤维;同时,探讨了利用紫外光（UV）交联使纤维在轴向上产生力学性能差异制备微纳米螺旋纤维的新方法。本文第二章,以热塑性聚氨酯弹性体（TPU）和不同刚性的聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、醋酸纤维素（CA）为原料,采用双组分熔喷和双组分静电纺丝,将两种具有刚性差异的聚合物原料进行纺丝,利用两组分在轴向上的收缩或伸长的不同制备微纳米螺旋纤维。研究表明,具有刚性差异的两种聚合物可以通过双组分纺丝的方法制备微纳米螺旋纤维。通过聚合物分子链结构和差示扫描量热曲线（DSC曲线）分析不同聚合物间的刚性,表明两种组分间刚性差异程度的大小会影响螺旋纤维的制备效率,刚性差异程度越大,制备的微纳米螺旋纤维越多。本文第三章和第四章,基于静电纺丝技术,制备了一种可UV交联的微纳米纤维,并通过UV照射的方法成功制备了微纳米螺旋纤维。首先,第三章中通过化学合成的方法制备了一种异氰酸酯基（—NCO）封端的聚氨酯预聚体（PPU）原料,以傅里叶红外光谱法（FT-IR）和二级反应动力学模型探究PPU的制备条件,发现所用方法可制备出符合预期的PPU。PPU的制备受温度影响明显,较低的温度下拟合的二级反应速率曲线线性明显,说明副反应少。然后,在第四章中,将制备得到的PPU和端羟基聚丁二烯（HTPB）混溶于甲苯中反应,然后通过静电纺丝的方法制备出可UV交联的微纳米纤维,并使其在一定应力作用下受到UV光照射,制备微纳米螺旋纤维。UV光会使这种含有碳碳不饱和双键的弹性体纤维表面发生交联,产生力学性能的变化,使纤维的轴向上形成了伸长或收缩性能的差异,从而受到应力后会形成螺旋结构。同时以螺旋曲率k表征螺旋形貌,发现不同的UV时间和预应力作用可制备出具有不同k值得微纳米螺旋纤维。延长UV照射时间和较大的预应力作用可以制备螺旋线圈更紧密的螺旋结构,螺旋纤维具有更大的k值。

关键词：螺旋纤维微纳米 UV照射螺旋曲率双组分

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复合螺旋纤维的制备及紫外屏蔽性能研究

复合螺旋纤维的制备及紫外屏蔽性能研究

作者：王琰浙江理工大学

学位级别：硕士

相对于二维刚性电子器件,纤维柔性电子因其可拉伸性、轻量化和可调节的力电性能等优点被广泛应用于可穿戴传感器、可拉伸导体和柔性能源电极等能量收集和存储设备领域,然而有限的变形能力很难满足愈来愈高的拉伸应变需求。与传统纤维纱... 详细信息

相对于二维刚性电子器件,纤维柔性电子因其可拉伸性、轻量化和可调节的力电性能等优点被广泛应用于可穿戴传感器、可拉伸导体和柔性能源电极等能量收集和存储设备领域,然而有限的变形能力很难满足愈来愈高的拉伸应变需求。与传统纤维纱线相比,由于多级螺旋结构的存在,使得纤维局部应变和外界施加应变不匹配,产生局部应变抑制和整体应变提升。因此相较于传统纤维纱线,螺旋纤维结构具有更强的可拉伸性。基于此,本论文采用静电纺丝、机械加捻方法制备了复合纳米螺旋纤维结构,并对其性能、应用以及机理进行了系统的研究,具体研究结果如下:1、通过静电纺丝、机械加捻技术制备了Ti O//PU@Ag NWs复合纳米螺旋纤维,表征了不同结构、不同拉伸应变的紫外屏蔽性能。研究发现复合纳米螺旋纤维在0%～500%应变下表现出应变不敏感的紫外线防护,可用于紫外线屏蔽,以及在500%～1500%应变敏感的紫外线监测,可用于紫外线预警。与之前报道的普通纳米纤维膜相比,所制备的复合纳米螺旋纤维在大应变稳定性和紫外线屏蔽方面表现出较大的优势。此外,复合纳米螺旋还表现出耐磨、抗菌、生物降解和可编织性等。这种多功能策略为构筑可穿戴电子器件和多功能设备提供了思路。2、通过静电纺丝、机械加捻技术制备了Ti O//PU//LM复合纳米螺旋纤维,表征了不同液态金属的含量、不同纤维结构的力电性能。研究发现复合纳米螺旋纤维具有超拉伸性(3000%)以及超高导电性(128975 S/m),即使拉伸到3000%,其导电率也达到35009 S/m。由于添加了Ti O NPs,复合纳米螺旋纤维表现出较好的紫外屏蔽性能,除此,复合纳米螺旋纤维还具有较好的生物相容性。这种构筑策略为柔性电子的结构设计提供了一种新思路。3、采用添食法改性蚕丝纤维,然后通过静电纺丝制备PU、PVA、PAN、CA纳米纤维膜,表征了结构和性能。结果表明基于PU的Tg调控PU的加热温度,可赋予纳米纤维膜产生粘结点,进而改进蚕丝与PU纤维界面结合力。通过对比普通蚕丝、添食肉桂酸和Ti O NPs蚕丝的红外光谱,发现改性蚕丝的结构未发生改变。除此,添食肉桂酸以及Ti O NPs的蚕丝相对未添食的蚕丝紫外屏蔽性能较好。

关键词：静电纺丝螺旋纤维紫外屏蔽及预警可拉伸电子器件多功能集成

静电纺丝—螺旋纤维的形貌控制及包覆碳纳米膜二氧化钛纤维光催化的研究

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静电纺丝—螺旋纤维的形貌控制及包覆碳纳米膜二氧化钛纤维光催化...

作者：程振南京大学

学位级别：硕士

本论文内容主要涉及静电纺丝纳米纤维的形貌控制,使用新颖的静电纺丝设备制备了形貌可控的纳米螺旋纤维,同时对纺丝条件也进行了探讨。(1)使用了自行设计并制造的静电纺丝设备,制备了形貌可控的螺旋纳米纤维。该设备的特点在于使用高速... 详细信息

本论文内容主要涉及静电纺丝纳米纤维的形貌控制,使用新颖的静电纺丝设备制备了形貌可控的纳米螺旋纤维,同时对纺丝条件也进行了探讨。(1)使用了自行设计并制造的静电纺丝设备,制备了形貌可控的螺旋纳米纤维。该设备的特点在于使用高速电机带动喷丝头高速旋转,直接制备具有螺旋结构的纳米纤维。这种制备方法的优势在于,制备出的纤维不需要后处理就具有螺旋结构,同时通过控制电机的转速和喷丝头的结构便可以控制螺旋纤维的内部结构。(2)采用新的静电纺丝方法成功的制备了长度可达5 cm,直径在10 μm范围内螺旋微米PVP纤维绳。这个方法和普通的静电纺丝方法有所不同,我们采用带负电压的旋转铜针为接收器,接正电的喷丝头喷出的两纤维受到单针的诱导形成纤维绳,纤维绳与针尖相遇,并旋转成紧密缠绕的螺旋绳。螺旋纤维绳的螺距可以通过调整接收器与喷丝头的距离而调整。(3)制备了表面碳纳米膜杂化的长度在厘米级的TiO2纳米纤维。与TiO2纳米纤维比较,表面碳杂化的TiO2纳米纤维表现出更好的紫外光降解亚甲基蓝的特性,由炭膜杂化的TiO2对在其附近发有机污染物有一定的吸附性,同时增强了在碳/TiO2之间的光生电子转移速度,从而导致了更好的催化性能。在紫外光催化反应5次后,催化剂依然保持着良好的催化活性。

关键词：静电纺丝螺旋纤维形貌控制二氧化钛纤维光催化降解