本發(fā)明涉及一種熱處理工藝方法，尤其涉及一種加工CAH人工肌肉的熱處理工藝方法。
背景技術：
CAH(calcium alginate hydrogel，海藻酸鈣水凝膠)是一種離子型電活性聚合物，其致動性能非常相似于生物肌肉，故稱之為“人工肌肉”。CAH材料質(zhì)地柔軟、富有彈性、生物形容性極好，并且在較低的驅(qū)動電壓下能夠產(chǎn)生較大的位移變形。因而在仿生工程、微機械和生物科學等領域，都有著廣泛的應用前景。響應速度、壽命和輸出力是衡量CAH人工肌肉的重要指標，目前國內(nèi)外的科學家們對其進行的大量研究，主要集中在制備方法與摻雜工藝，來提升這三方面的致動性能。因此，有必要探索研究一種原理明確、效果顯著、可廣泛應用的加工工藝方法，以便進一步提高CAH人工肌肉的致動性能及其實際應用。
“Journal of Functional Materials”期刊，2014年刊登的“The preparation and thermal properties of calcium alginate/gelatin(semi)IPNs crosslinked with oxidized sodium alginate”文章中采用了一種水浴加熱的加工工藝方法，通過使用大燒杯與溫控式磁力攪拌機，直接對高分子聚合物進行恒溫制備。然而，該方法對溫度的利用，只適用于人工肌肉的前期制備過程，卻忽視了對其進一步的加工處理，可能帶來的致動性能提升。目前所有關于CAH人工肌肉的研究都是如此，由于對其進行熱處理加工的工藝方法，思路較為創(chuàng)新，至今尚未出現(xiàn)相關研究。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了提供一種加工CAH人工肌肉的熱處理工藝方法，是一種原理明確、效果顯著、成本低廉、可實現(xiàn)普遍應用的加工CAH人工肌肉的熱處理工藝方法。同時，針對于CAH人工肌肉的熱處理工藝方法，能夠進一步提升其自身的響應速度、壽命與輸出力。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括如下步驟：
第一步：將制備成型的CAH人工肌肉浸入濃度為0.85mg/ml的CaCl2溶液中，水浴溫度30℃、離子交聯(lián)反應時間20min，使其表層電極膜均勻獲得Ca2+；
第二步：用鑷子捏出交聯(lián)后的CAH人工肌肉，用濾紙吸干其表面的溶液，并將其放入真空干燥箱中加熱，設置參數(shù)：溫度80℃、真空度-0.09MPa、時間0.5h，進行去應力退火；
第三步：取出真空干燥箱中已經(jīng)完全干燥成膜的CAH人工肌肉，置于室內(nèi)通風處進行風冷；
第四步：將經(jīng)過風冷處理后的CAH人工肌肉，再次置于真空干燥箱中，并設置參數(shù)：溫度80℃、真空度-0.09MPa、時間0.5h；
第五步：調(diào)整真空干燥箱的設置參數(shù)，使得CAH人工肌肉在真空箱內(nèi)，降溫至50℃、并保持真空度-0.09MPa、恒溫時間1.5h，完成調(diào)質(zhì)過程；
第六步：取出真空干燥箱中的CAH人工肌肉，并靜置于空氣中3h，使其逐漸冷卻至室溫，完成時效處理；
第七步：待CAH人工肌肉的內(nèi)外溫度降到室溫后，對其進行裁剪并封裝存儲。
本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：
1.第三步中的置于室內(nèi)通風處進行風冷的時間是30min，以使其快速冷卻到室溫。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：針對加工CAH人工肌肉的熱處理工藝方法，通過改變其內(nèi)部的顯微組織與表面電極層的化學成分，而未影響到整體的形狀尺寸與化學組分，以實現(xiàn)提升其響應速度、壽命與輸出力等綜合機械性能。同時，CAH人工肌肉的表層電極膜的離子交聯(lián)反應，使其具有更好的韌性與疲勞強度，降低了使用形變與裂紋危險而提高其使用壽命。此外，經(jīng)過熱處理的CAH人工肌肉，能夠獲得均勻、平衡的內(nèi)部組織結構，改善了其內(nèi)部成分與應力狀態(tài)，進而消除了制備與裝配時產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力。本發(fā)明CAH人工肌肉的熱處理工藝方法，原理明確、效果顯著、可實現(xiàn)廣泛應用，并能夠有效提升其內(nèi)在質(zhì)量與致動性能將近一倍。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的熱處理工藝流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。
一種加工CAH人工肌肉的熱處理工藝流程圖，如圖1所示，其流程主要是人工肌肉在固態(tài)下，經(jīng)過交聯(lián)、加熱、保溫和冷卻四個階段。這些過程彼此銜接、相互補充性能。CAH人工肌肉由一片電致動膜和兩片電極膜組成，兩片電極膜分別覆蓋在電致動膜的兩側(cè)，貼合形成類似“三明治”結構的電致動器。為了預防人工肌肉在熱處理過程中發(fā)生形變，其初始厚度要保持均勻、形狀對稱、并預留出熱處理余量，以獲得預期的內(nèi)部組織結構。
對CAH人工肌肉的表面電極層，進行離子交聯(lián)反應，即將制備成型的人工肌肉浸入到濃度為0.85mg/ml的CaCl2溶液中，水浴溫度30℃、反應時間為20min。這使得Ca2+能夠進入到電極膜中，以改變?nèi)斯ぜ∪獾谋韺咏M織與化學成分，增加了其剛性與疲勞強度，同時其芯部的致動膜仍保持著良好的韌性和塑性。然后，用鑷子捏出經(jīng)過交聯(lián)的CAH人工肌肉，并用濾紙吸干其表面的溶液，再放入真空干燥箱中加熱，且設置參數(shù)：溫度80℃、真空度-0.09MPa、時間0.5h。進行“去應力退火”，消除組織缺陷、改善力學性能，以提高人工肌肉的機械強度。
進行“調(diào)質(zhì)處理”，取出真空干燥箱中已經(jīng)完全干燥成膜的CAH人工肌肉，并置于室內(nèi)通風處進行風冷、保持30min，以使其快速冷卻到室溫。隨后，及時進行真空“低溫回火”，即將經(jīng)過風冷處理后的人工肌肉，再次置于真空干燥箱中，并設置參數(shù)：溫度80℃、真空度-0.09MPa、時間0.5h。適當溫度保持一段時間后，調(diào)整真空干燥箱的設置參數(shù)，使得人工肌肉隨真空箱慢慢降溫至50℃、并保持真空度-0.09MPa、恒溫時間1.5h。以達到其內(nèi)部組織均勻，改善應力狀態(tài)、消除殘余內(nèi)應力，獲得強度與韌性都良好的綜合致動性能。
取出真空干燥箱中的CAH人工肌肉、并靜置于空氣中3h，使其逐漸冷卻至室溫，從而完成時效處理、穩(wěn)定尺寸形狀。待人工肌肉的內(nèi)外溫度降到室溫后，對其進行裁剪并封裝存儲，因此獲得標準尺寸、性能穩(wěn)定提升的電致動器。
本發(fā)明的具體工作原理：由于CAH人工肌肉的顯微組織復雜，可通過熱處理改變其力學與化學性能，以獲得良好的使用性能。采用整體熱處理的方式，人工肌肉內(nèi)部的熱應力和組織應力，能夠相互疊加或部分抵消。在真空中進行保護加熱，以避免其電極膜在空氣中發(fā)生氧化反應。由于材料本身的吸水性，人工肌肉在室溫靜置一段時間后，會從空氣中補充到適量的水分，進而能夠提升自身的致動性能。
更為明確的說本發(fā)明是一種加工CAH人工肌肉的熱處理工藝方法，采取真空、整體熱處理的方式。將其浸入濃度為0.85mg/ml的CaCl2溶液中，進行電極層的離子交聯(lián)反應。隨后，在真空干燥箱中對其進行整體加熱，再置于空氣中以適當速度冷卻。此外，通過控制加熱時間、溫度和真空度，并采取短時、多次的處理方式，主要方法步驟是：
(1)將制備成型的CAH人工肌肉浸入濃度為0.85mg/ml的CaCl2溶液中，水浴溫度30℃、離子交聯(lián)反應時間20min，使其表層電極膜均勻獲得Ca2+；
(2)用鑷子捏出交聯(lián)后的CAH人工肌肉，并用濾紙吸干其表面的溶液，隨后將其放入真空干燥箱中加熱，并設置參數(shù)：溫度80℃、真空度-0.09MPa、時間0.5h，進行去應力退火；
(3)取出真空干燥箱中已經(jīng)完全干燥成膜的CAH人工肌肉，并置于室內(nèi)通風處進行風冷，保持30min，以使其快速冷卻到室溫；
(4)及時進行真空“低溫回火”，即將經(jīng)過風冷處理后的CAH人工肌肉，再次置于真空干燥箱中，并設置參數(shù)：溫度80℃、真空度-0.09MPa、時間0.5h；
(5)調(diào)整真空干燥箱的設置參數(shù)，使得CAH人工肌肉在真空箱內(nèi)，慢慢降溫至50℃、并保持真空度-0.09MPa、恒溫時間1.5h，至此完成調(diào)質(zhì)過程；
(6)取出真空干燥箱中的CAH人工肌肉，并靜置于空氣中3h，使其逐漸冷卻至室溫，從而完成時效處理；
(7)待CAH人工肌肉的內(nèi)外溫度降到室溫后，對其進行裁剪并封裝存儲，因此獲得標準尺寸、性能穩(wěn)定提升的電致動器。