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PVDF-HFP/PA-6纳米纤维双层膜的静电纺丝制备及其湿气致动应用研究

PVDF-HFP/PA-6纳米纤维双层膜的静电纺丝制备及其湿气致动应用研究

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作者：梁莉萍西南大学

学位级别：硕士

智能致动器在一定的外场刺激下可自发将各种能量转换为机械能,并发生可逆形变。湿气驱动致动器作为智能致动器中重要一员,在人造肌肉、软体机器人、智能开关、传感器等领域显示出巨大的应用潜力。由湿气敏感和湿气惰性材料组成的双层结... 详细信息

智能致动器在一定的外场刺激下可自发将各种能量转换为机械能,并发生可逆形变。湿气驱动致动器作为智能致动器中重要一员,在人造肌肉、软体机器人、智能开关、传感器等领域显示出巨大的应用潜力。由湿气敏感和湿气惰性材料组成的双层结构被广泛用于湿气致动器的构建,而静电纺丝技术被认为是该结构较为简单有效的制备方法。通过静电纺丝法制备的双层膜具有重量轻、形状可控等优点,活性层和惰性层结合紧密,且纳米纤维多孔结构有助于湿气与活性官能团的相互作用。基于静电纺丝技术制备的湿气致动器已有报道,但其材料选择范围有限。前期研究报导,活性层纳米纤维的定向排列对于湿气致动器性能具有极大影响。目前,纳米纤维的定向排列主要通过静电纺丝滚筒收集装置实现。然而,收集转速与双层膜致动性能之间关系及其作用机制尚不明确。针对上述问题,本论文以PVDF-HFP和PA-6分别作为惰性层和活性层,采用两步纺丝法构建纳米纤维双层膜,系统研究了活性层收集转速对于膜结构、纤维分子取向和湿气响应性能的影响。具体研究内容如下:***-HFP/PA-6纳米纤维双层膜的制备PVDF-HFP制备简单、疏水性强,是理想的惰性层材料;PA-6稳定性高、机械性能好、富含亲水性基团,具有较好的吸湿性能。本研究采用上述两种聚合物通过两步静电纺丝法制备了PVDF-HFP/PA-6纳米纤维双层膜。其中,PVDF-HFP惰性层的静电纺丝参数根据文献选定。本研究主要探究了纺丝液浓度、纺丝电压、挤出速度、针头型号对PA-6纤维成纤情况和纤维形貌的影响。基于实验,发现参数控制不当,纤维成纤过程不稳定且易形成断头、纤维粗细不均、表面有珠粒等问题。对此进行分析讨论和总结,最终寻找到了适用于本体系的最佳静电纺丝条件,并用于后续研究。具体参数如下:静电纺丝机内温度40℃、相对湿度30%、PA-6纺丝液浓度25%(质量百分数)、纺丝电压23 k V、挤出速度0.15 m L/h、针头型号23G。***-HFP/PA-6纳米纤维双层膜湿气致动性能研究及其潜在应用为了定量研究纳米纤维双层膜湿气致动行为,首先对PVDF-HFP/PA-6纳米纤维双层膜的长宽比和PA-6层厚度进行优化,将其长宽比和PA-6层厚度分别确定为1:2和35μm。然后对优化后的双层膜进行相关性能测试,发现该湿气致动器可在相对湿度为45%-97%之间发生可逆形变。随着相对湿度的变化,曲率能达到0.192 mm,响应时间为10 s,恢复时间为20 s。该致动器表现出优异的稳定性(可重复32次)和长期使用性(28天内正常使用)。为展示其实际应用潜力,双层膜被制备为花形和鸟形致动器,花瓣和翅膀在湿度变化环境中可实现循环形变,较好地模拟了大自然中花朵的开合和鸟类翅膀的拍打。此外,还开发了两种结合织物的可穿戴配饰(湿气响应徽章兔和湿气响应徽章花),展示了其在下雨室外和干燥室内切换过程中的循环形变特性。3.纺丝收集转速对纳米纤维双层膜湿气致动性能影响及其调节机制调整收集转速,获得纳米纤维双层膜,并对其湿气响应性、循环稳定性、长期使用性等进行测试,发现了不同的转速范围内致动方向和致动性能的骤变现象。具体而言,低于400 rpm,双层膜湿气致动性能优良(有效区间);400-1600 rpm之间,双层膜湿气致动性能不稳定(过渡区间);高于1600 rpm,双层膜无湿气致动性能(失效区间)。产生如此明显的变化是由于转速影响纤维排列及其内部应力,进而调节双层膜湿气响应。湿气诱导的活性层纤维间相互作用与纤维自身拉伸应力,是导致双层膜形变的两大主要因素。在转速有效区间,纤维间相互作用占主导地位,纤维间水分子层的增减引起了双层膜的可逆性形变;在转速过渡区间,二者作用均不能忽视,膜的形变不稳定;在转速失效区间,纤维自身拉伸应力占主导地位,水分子使纤维迅速松弛,从而导致双层膜的不可逆膜形变。综上,本论文构建了一种以PVDF-HFP和PA-6为惰性层和活性层的纳米纤维双层膜,并基于该双层膜成功构建了湿气致动器,拓展了静电纺丝湿气致动器的材料选择范围。通过系统研究纺丝收集装置转速对其湿气致动性能的影响,探明了可有效制备双层膜致动器的转速范围,揭示了转速对于纳米纤维双层膜湿气响应性的调节机制,并展示了该致动器在可穿戴领域的潜在应用。

关键词：湿气致动器静电纺丝 PVDF-HFP PA-6 纳米纤维膜

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