【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于人工驅動材料，涉及一種具有ph響應的驅動纖維及其制備方法。
技術介紹
1、驅動器是將能量從一種形式轉換為機械能的系統，如將熱能、電能、光能轉化為機械能。最為傳統的驅動器系統是內燃機、蒸汽機，以及現在的電動機等。而在人體中，在等溫條件下化學能轉化為機械能是生物體運動能力的基礎，如在atp水解提供能量下，肌肉可逆的進行舒張和收縮。所有這些生物系統的能量轉換效率極高，動物的肌肉能將超過50％的食物能量轉化為有用的功。生物系統的高效率在很大程度上歸因于化學能的直接轉化，避免了不必要的中間過程產生熱量。受到具有物理適應性、靈活性、可重構性和多功能性的軟體動物及人類肌肉的啟發，驅動器已被開發用于多種應用，包括人造肌肉、可穿戴設備、觸覺設備和醫療設備。
2、將化學能轉化為機械能可以利用質子轉移、電荷轉移、氧化還原、光致異構、相轉變等所產生的化學能引發高分子鏈構象變化，實現材料宏觀驅動。目前利用質子轉移的驅動系統主要集中在聚羧酸體系。羧酸根在堿性溶液中去質子化帶負電，因此聚羧酸分子鏈互相排斥，宏觀表現為材料伸長。在酸性溶液中，羧酸根質子化不帶電，聚羧酸產生分子鏈間氫鍵，宏觀表現為材料收縮。目前研究較多的酸中收縮、堿中伸長的ph驅動體系是聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸分子。但是關于堿中收縮、酸中伸長的ph驅動體系的構筑還處于研究空白。單向的刺激驅動會導致在驅動中產生非目標性運動，難以精準把控局部和全局運動。因此需要設計具有相反刺激行為的ph驅動器，可以將全局運動通過門控的方式用兩種ph響應行為的驅動器進行編程和組合，擴大驅動機制
3、目前多種材料被制備成為驅動器，如高分子、碳納米管、石墨烯、有機無機雜化材料等。因此驅動器也被制成了多種表現形式，如三維塊體、二維薄膜、一維纖維等。其中纖維驅動器是一種特別有吸引力的策略，因為纖維具有靈活性和高度各向異性特性。此外，動物的運動是通過肌肉的收縮和伸展來實現的，而肌肉具有纖維結構。肌肉的驅動是由肌動蛋白絲上肌球蛋白馬達蛋白的階梯狀運動產生的。當這些非常簡單的納米級馬達蛋白的運動轉化為肌肉簡單的收縮/伸展時，就可以產生多種不同的運動。受大自然案例啟發，我們清楚地認識到即使是纖維長度的簡單變化也能引起非常復雜的運動，這使得纖維驅動器十分具有研究價值。
4、因此，研究一種具有ph響應且可以達到可逆穩定的伸長收縮的驅動纖維及其制備方法，以解決現有技術在存在的問題，具有十分重要的意義。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是解決現有技術中存在的問題，提供一種具有ph響應的驅動纖維及其制備方法。
2、為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：
3、一種具有ph響應的驅動纖維，具有在ph值≤11的堿性溶液中收縮、在ph值≥1的酸性溶液中伸長的性質(當ph大于11，纖維不會收縮反而伸長；當ph小于1，纖維不會伸長反而收縮)，通過改變溶液ph值可以連續做功；
4、具有ph響應的驅動纖維為單寧酸改性的復合物纖維，復合物纖維為高分子a/聚乙烯醇復合物纖維；
5、高分子a為側鏈帶有胺基的高分子；
6、高分子a/聚乙烯醇復合物纖維中，聚乙烯醇與高分子a之間具有氫鍵相互作用，以增韌纖維力學性能；
7、單寧酸與高分子a之間具有共價交聯作用，以穩定纖維形狀尺寸。
8、在堿性溶液中高分子a側鏈胺基去質子化，分子鏈間氫鍵恢復，分子鏈塌縮，纖維發生收縮；在酸性溶液中高分子a側鏈胺基質子化，分子鏈間靜電排斥，分子鏈舒展，纖維進行伸長。
9、作為優選的技術方案：
10、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維，高分子a為殼聚糖、聚丙烯胺或支化聚乙烯亞胺。
11、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維，具有ph響應的驅動纖維在ph＝1的酸性溶液中拉伸強度為1～5mpa，斷裂伸長率為80～120％，在ph＝11的堿性溶液中拉伸強度為30～40mpa(拉伸強度的測試是將纖維置于酸性/堿性溶液中平衡后進行的)，斷裂伸長率為40～70％。
12、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維，在10次酸堿循環過程(每次酸堿循環是指先置于酸性溶液中、再置于在堿性溶液中)中，具有ph響應的驅動纖維的拉伸強度在1～5mpa和30～40mpa之間變化，斷裂伸長率在80～120％和40～70％之間變化，做功密度穩定在5～20kj/m3范圍。
13、可以通過控制環境溶液中的ph值，控制其伸長和收縮行為，可以模仿多種運動，如驅動器主動提拉重物，肌肉的松弛-收縮運動，爪形提抓器。
14、本專利技術還提供制備如上任一項所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，將高分子a/聚乙烯醇復合物纖維浸入單寧酸溶液中溶脹后，調控溶液ph值為8～9，并加熱至50～60℃，通入氧氣，在氧氣氛圍下，單寧酸和高分子a之間發生共價交聯反應，反應后的產物經去離子水洗滌與室溫干燥后制得具有ph響應的驅動纖維。
15、作為優選的技術方案：
16、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，高分子a/聚乙烯醇復合物纖維是將高分子a和聚乙烯醇的混合溶液作為紡絲液擠入堿性凝固浴中，經濕法紡絲得到的。
17、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，紡絲液是將高分子a溶液與聚乙烯醇溶液共混10～12h獲得的均一透明溶液，高分子a溶液的濃度為20～40mg/ml，聚乙烯醇溶液的濃度為100～200mg/ml；
18、堿性凝固浴是指濃度為1mol/l的naoh溶液。
19、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，高分子a與聚乙烯醇的質量比為2～4:1～2。
20、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，單寧酸溶液的濃度為20～40mg/ml；單寧酸與高分子a的質量比為1～2:1～2。
21、如上所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，高分子a/聚乙烯醇復合物纖維在單寧酸溶液浸漬30min后向單寧酸溶液中通入氧氣，再繼續浸漬1～6h。
22、本專利技術的原理是：
23、本專利技術的高分子a指的是側鏈帶有胺基的一類高分子，其可以在堿性溶液中去質子化，分子鏈塌縮，在酸性溶液中質子化，分子鏈舒展，具有ph響應性。利用濕法紡絲的方法，將高分子a和聚乙烯醇加工成纖維。聚乙烯醇與高分子a形成氫鍵相互作用，可以增韌纖維力學性能。最后在纖維中引入單寧酸交聯網絡，使得纖維在強酸強堿中可以一直保持尺寸穩定性。
24、在本專利技術的驅動纖維中，當纖維浸入酸性溶液中，高分子a側鏈中的胺基質子化，帶正電荷，由于靜電排斥作用，分子鏈舒展，纖維拉伸強度降低，纖維宏觀表現為伸長。當浸入堿性溶液中，高分子a側鏈中的胺基去質子化，分子鏈不帶電，分子間存在氫鍵相互作用，分子鏈塌縮，纖維拉伸強度增大，纖維宏觀表現為收縮。如果沒有經過單寧酸交聯，纖維進入酸性溶液后，在水環本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種具有pH響應的驅動纖維，其特征在于：具有在pH值≤11的堿性溶液中收縮、在pH值≥1的酸性溶液中伸長的性質；
2.根據權利要求1所述的一種具有pH響應的驅動纖維，其特征在于，高分子A為殼聚糖、聚丙烯胺或支化聚乙烯亞胺。
3.根據權利要求1所述的一種具有pH響應的驅動纖維，其特征在于，具有pH響應的驅動纖維在pH＝1的酸性溶液中拉伸強度為1～5MPa，斷裂伸長率為80～120％，在pH＝11的堿性溶液中拉伸強度為30～40MPa，斷裂伸長率為40～70％。
4.根據權利要求3所述的一種具有pH響應的驅動纖維，其特征在于，在10次酸堿循環過程中，具有pH響應的驅動纖維的拉伸強度在1～5MPa和30～40MPa之間變化，斷裂伸長率在80～120％和40～70％之間變化，做功密度穩定在5～20kJ/m3范圍。
5.制備如權利要求1～4任一項所述的一種具有pH響應的驅動纖維的方法，其特征在于：將高分子A/聚乙烯醇復合物纖維浸入單寧酸溶液中溶脹后，調控溶液pH值為8～9，并加熱至50～60℃，通入氧氣，在氧氣氛圍下，單寧酸和高分子A之間
6.根據權利要求5所述的一種具有pH響應的驅動纖維的方法，其特征在于，高分子A/聚乙烯醇復合物纖維是將高分子A和聚乙烯醇的混合溶液作為紡絲液擠入堿性凝固浴中，經濕法紡絲得到的。
7.根據權利要求6所述的一種具有pH響應的驅動纖維的方法，其特征在于，紡絲液是將高分子A溶液與聚乙烯醇溶液共混10～12h獲得的均一透明溶液，高分子A溶液的濃度為20～40mg/mL，聚乙烯醇溶液的濃度為100～200mg/mL；
8.根據權利要求7所述的一種具有pH響應的驅動纖維的方法，其特征在于，高分子A與聚乙烯醇的質量比為2～4:1～2。
9.根據權利要求5所述的一種具有pH響應的驅動纖維的方法，其特征在于，單寧酸溶液的濃度為20～40mg/mL；單寧酸與高分子A的質量比為1～2:1～2。
10.根據權利要求5所述的一種具有pH響應的驅動纖維的方法，其特征在于，高分子A/聚乙烯醇復合物纖維在單寧酸溶液浸漬30min后向單寧酸溶液中通入氧氣，再繼續浸漬1～6h。
...【技術特征摘要】
1.一種具有ph響應的驅動纖維，其特征在于：具有在ph值≤11的堿性溶液中收縮、在ph值≥1的酸性溶液中伸長的性質；
2.根據權利要求1所述的一種具有ph響應的驅動纖維，其特征在于，高分子a為殼聚糖、聚丙烯胺或支化聚乙烯亞胺。
3.根據權利要求1所述的一種具有ph響應的驅動纖維，其特征在于，具有ph響應的驅動纖維在ph＝1的酸性溶液中拉伸強度為1～5mpa，斷裂伸長率為80～120％，在ph＝11的堿性溶液中拉伸強度為30～40mpa，斷裂伸長率為40～70％。
4.根據權利要求3所述的一種具有ph響應的驅動纖維，其特征在于，在10次酸堿循環過程中，具有ph響應的驅動纖維的拉伸強度在1～5mpa和30～40mpa之間變化，斷裂伸長率在80～120％和40～70％之間變化，做功密度穩定在5～20kj/m3范圍。
5.制備如權利要求1～4任一項所述的一種具有ph響應的驅動纖維的方法，其特征在于：將高分子a/聚乙烯醇復合物纖維浸入單寧酸溶液中溶脹后，調控溶液ph值為8～9，并加熱至50～60℃，通入氧氣，在氧氣氛圍下，單寧酸和高分子a之間...
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