雙螺旋結構羊毛紗線人工肌肉構建及濕響應智能紡織品應用

彭陽陽，高衛東，孫豐鑫

(江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

智能紡織品作為紡織領域新的方向,具有廣闊的發展前景和潛力[1-2]。智能紡織品能夠感知光、熱、溫度、化學、磁性、機械等周圍環境變化并做出自適應性反應，通常包括自修復、自響應、自診斷、自調整、自清潔等[3]。最近，基于加捻結構的纖維基人工肌肉的發展為智能紡織品開發提供了新的手段和有效方法[4-9]。然而，現有纖維基人工肌肉往往存在成本高、刺激條件苛刻、化學毒性或復雜的化學制備與合成工藝等問題，阻礙了纖維基人工肌肉在智能紡織品領域的廣泛應用。

目前已經有大量研究者通過使用碳納米管[10-12]、石墨烯[13-15]、形狀記憶合金[16-19]及其混合物[20-22]等材料與傳統的紡織加工技術結合，制備了具有體積小、驅動行程大、速度快、驅動力大等突出優點的纖維基人工肌肉。然而這些材料由于合成工藝復雜、相對苛刻的光、熱等刺激條件要求以及對人體潛在的化學毒性等，仍未實現在紡織領域的推廣應用。因此基于紡織大宗纖維原料，開發具有溫和濕響應特性的纖維基人工肌肉是智能紡織品研究的迫切需求。羊毛作為一種天然角蛋白類纖維，是人類最早使用的動物纖維紡織原料之一。由于其特殊的組分以及分層結構，使其具有生物相容性、生物可降解性和吸濕性等諸多優異的性能，因而成為制備濕敏性紗線人工肌肉的潛在材料。

1 實 驗

1.1 材料、試劑與儀器

羊毛纖維(長度11～12 cm，細度30～40 μm；山東久棉紡織品有限公司的內蒙古綿羊毛)；乙醇(純度≥95%，國藥集團化學試劑有限公司)；電加熱吹風干燥箱(BGZ-146，中國上海寶順實業有限公司)；低溫等離子體儀(SY-DT03S，蘇州奧普思等離子技術有限公司)；加捻儀(YG155A，常州第一紡織設備有限公司)；高速攝像機(Micro LAB-110，美國Ametek公司)；掃描電子顯微鏡(SU1510，日立高新技術公司)；拉伸強力測試儀(XQ-2, 中國上海新先儀器有限公司)。

1.2 紗線肌肉驅動器的制備

1.2.1 羊毛纖維預處理

將天然羊毛在超聲波作用下用無水乙醇清洗30 min，然后用去離子水漂洗，以除去羊毛纖維表面的雜質和油污。將漂洗后的羊毛纖維放置在烘箱中，在60 ℃下烘干，選取長度較長的羊毛纖維，兩端固定，用切刀截取纖維的中間部分，截取長度約為11～12 cm，使用電子天平稱取每根羊毛纖維的質量，選取纖維質量在0.02～0.03 mg范圍內的羊毛纖維，用于制備紗線肌肉驅動器。

1.2.2 自平衡紗線人工肌肉驅動器的制備

取預處理后的羊毛纖維，夾持在加捻機(YG155A，常州第一紡織設備有限公司)的旋轉鉗口和小夾子之間，夾持隔距為10 cm，并限制小夾子扭轉方向自由度，僅保留垂直方向自由度，將羊毛纖維加捻至不同的捻度(2 000、4 000、6 000 T·m-1)。因為加捻的纖維在機械上不穩定傾向于解捻，所以將纖維兩端從中間對折使其自動捻合在一起，自動捻合的方向與加捻方向相反，最終得到力矩平衡的具有雙螺旋結構的羊毛紗線人工肌肉驅動器[23]。

1.2.3 等離子體處理

采用低溫氧等離子體，在功率120 W條件下處理羊毛纖維5 min，以刻蝕制備的雙螺旋結構的羊毛纖維表面。

蔣春豬不講了，站起來，這里走走，那里走走，一瘸一拐，他說：“這地方不錯，前有小河，后有草坡，就把秀容元帥葬這兒。”

1.3 性能測試與表征

1.3.1 表面形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡觀察等離子體刻蝕前后的羊毛纖維表面形貌變化。設置掃描電子顯微鏡的加速電壓為5.0 kV。

1.3.2 力學性能測試

預先準備好長度為10 cm的原始、濕態和重新干燥3種狀態下的纖維，纖維的預加張力為0.2 cN，進行拉伸特性曲線測試。纖維強伸度儀的夾持距離為20 mm，拉伸速度設置為20 mm/min。

1.3.3 驅動性能表征

如圖1所示，羊毛紗線肌肉驅動器的整個驅動性能測試過程在溫度為25 ℃，濕度為40%的環境中進行。

圖 1 紗線肌肉驅動性能測試實驗裝置圖

將羊毛紗線肌肉驅動器懸掛在用亞克力玻璃板制備的腔體頂端(腔體容積為30 cm×30 cm×50 cm)，通過調節腔體內加濕器，給予紗線肌肉驅動器不同的濕度，加濕器的最大水霧量為0.12 g/s。當羊毛紗線肌肉驅動器暴露于水霧中時，由于每個單螺旋纖維都會發生體積膨脹產生解捻，使得2個單螺旋纖維同時向解捻方向扭轉，而雙螺旋紗線肌肉驅動器與單螺旋纖維的加捻方向相反，則會導致其在水霧的驅動下繼續加捻，當停止加濕時，紗線肌肉驅動器反向扭轉，回到原始狀態。通過高速攝像機記錄整個驅動過程，并用Adobe Premiere軟件進行逐幀分析得到實驗數據。

2 結果與討論

2.1 紗線人工肌肉驅動器結構

圖2為未經等離子體處理的羊毛纖維的縱向結構圖和等離子體處理后的自平衡雙螺旋結構羊毛紗線人工肌肉驅動器的掃描電鏡圖。

(a) 處理前羊毛纖維縱向結構 (b) 處理后羊毛紗線人工肌肉雙螺旋結構

從圖2可以看出，原始的羊毛纖維表面具有清晰的鱗片結構，處理后羊毛纖維的鱗片被刻蝕，表面相對平整化。雙螺旋結構中的每根羊毛纖維之間均勻分布著一定的捻度，由于捻度的增加使單根纖維為了克服內應力而自捻合形成具有雙螺旋結構的羊毛紗線肌肉驅動器，其直徑約為68 μm。

2.2 紗線人工肌肉驅動器的致動性能

圖3顯示了羊毛紗線人工肌肉驅動器的致動扭轉角度在加濕和放濕過程中隨時間的變化規律。

圖 3 羊毛紗線人工肌肉驅動器的扭轉角度隨時間的變化規律

從圖3可以看出，在室溫(25 ℃)下分別暴露于干態或濕態環境時，羊毛紗線肌肉驅動器表現出可逆的扭轉驅動，在加濕過程中，羊毛紗線肌肉驅動器產生扭轉運動，在25 s內達到最大扭轉角度為343(°)/cm,在放濕過程中，羊毛紗線肌肉驅動器開始回轉，在65 s內驅動器幾乎回復到原始的扭轉狀態。先前研究[24]中通過纖維吸濕的各向異性膨脹，即吸濕后的徑向膨脹率大于長度方向膨脹率，解釋了加捻纖維的扭轉致動，該原理可用于解釋羊毛紗線人工肌肉驅動機理。

圖4顯示了在3個干濕態循環過程中羊毛紗線驅動器的扭轉驅動性能。

圖 4 紗線人工肌肉驅動器在干濕態3次循環中的扭轉角度變化

從圖4可以看出，在連續的3次可逆循環驅動中，羊毛紗線肌肉驅動器表現出良好的可逆性，除第2次循環的最大扭轉角度略低于第1次循環驅動，可能是由于羊毛纖維的吸濕滯后性[25]。第3次循環的最大扭轉和回復角度基本與第2次相同，表明這種羊毛紗線肌肉驅動器具有優異的可逆驅動性能。

圖5顯示了不同捻度下羊毛紗線肌肉驅動器的最大扭轉和回復角度及扭轉/回復的比率。

圖 5 不同捻度下羊毛紗線肌肉驅動器的最大扭轉和回復角度及比率

從圖5可以看出，羊毛紗線肌肉驅動器的最大扭轉和回復角度隨著捻度的增加而單調增加，而最大扭轉與回復角度的比率隨著捻度的增加而增大，說明捻度過高不利于羊毛紗線肌肉驅動器的回復，而捻度過低又不利于羊毛紗線肌肉驅動器的扭轉，因此選擇4 000 T·m-1的捻度制備紗線肌肉驅動器，可使其達到最優的扭轉與回復角度。

2.3 羊毛纖維的力學性能

圖6顯示了羊毛纖維在原始干態、濕態和放濕后再達到干態的3種狀態下的載荷-伸長率曲線。

圖 6 不同狀態下的羊毛纖維的載荷-伸長率曲線

從圖6可以看出，濕潤的羊毛纖維表現出較低的強力和較高的伸長率，原因是纖維吸濕后，大分子間的相互作用減弱，分子構象易于變化和滑移，故強力下降，伸長率增加。當濕潤的纖維重新干燥后，其伸長率幾乎回復到原始狀態，強力略微降低，可能是因為纖維中的水分沒有干燥完全。這進一步展示了羊毛人工肌肉驅動器較好的往復驅動性能的物理本質，也說明了用羊毛纖維制備紗線人工肌肉驅動器在干態與濕態下的驅動對其力學性能影響較小，具有較好的力學魯棒性。

2.4 紗線人工肌肉的可擴展性及其織物

紗線人工肌肉可進一步通過選配經向和緯向致動方向相反的結構，織造為織物人工肌肉，如圖7所示。

(a) 織物人工肌肉織造的斜紋織物及應力扭轉示意圖

圖7為1/2的右斜紋織物，織物在濕驅動條件下，產生沿斜紋方向的致動內應力，從而實現織物的彎曲或折卷變形。織物人工肌肉極大擴展了紗線人工肌肉的致動變形范圍和形變形式，可促進纖維基人工肌肉在智能紡織品和智能系統等方面更廣泛的應用。

3 結 語

本文通過加捻和自捻合的方法制備了雙螺旋結構的濕敏羊毛紗線人工肌肉驅動器。通過對紗線肌肉驅動器致動性能的分析，發現羊毛紗線肌肉驅動器具有對干濕狀態的快速響應和可逆的扭轉變形，其扭轉角度可達373 (°)/cm，而且體現了較好的耐久性和可重復的致動性能，并且隨著捻度的增加，羊毛紗線人工肌肉的扭轉角度呈上升的趨勢；通過對羊毛纖維力學性能的分析，發現纖維在干濕狀態下具有較好的力學魯棒性。最后通過將這種羊毛紗線肌肉驅動器進一步交織為織物肌肉驅動器，實現了織物的二維卷曲等更為多樣的變形形式。因此，羊毛紗線人工肌肉驅動器為纖維基的人工肌肉設計提供了新的策略，有望在智能紡織品領域進行推廣應用。