CN105602133A - 一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料及其制备方法,以质量份数计,将溴化丁基橡胶100份、硫化体系1.5-9份、高介电陶瓷填料10-50份、极性增塑剂10-50份共混,在20-60℃混炼均匀,出片,混炼胶室温停放7-16h后,在平板硫化机上硫化,制得溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料。本发明以溴化丁基橡胶为基体,向基体中添加高介电常数的介电陶瓷填料和极性小分子增塑剂,所制备的介电弹性体复合材料具有高介电常数、低弹性模量及优良延展性的特点,同时可以在较低的外加电场下获得高电致形变,改善了传统方法中介电弹性体需要在高电压下才能产生大电致形变的情况。
Description
技术领域
本发明属于介电弹性体复合材料技术领域,特别涉及一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料及其制备方法。
背景技术
介电弹性体具有柔韧性好、驱动形变大、驱动力强、能量密度高、响应时间快、介电损耗和粘弹滞后损耗小、加工成本低廉等优点,可以应用在微型机器人,传感器,驱动器以及人工肌肉等极具应用价值的高科技领域。随着信息、电子和电力工业向微型化方向发展,具有高介电常数和低介电损耗的介电弹性体材料成为行业关注的热点。
近年来,介电弹性体的研究方向主要是向介电弹性体中掺杂高介电陶瓷填料或导电填料以提高基体的介电常数。虽然高介电常数的陶瓷填料能提高弹性体基体的介电常数,但是陶瓷填料机械性能差,导致复合材料的脆性增大,模量明显提高,且需要较高电压才能产生形变,不利于实际应用。向弹性体基体中添加少量导电填料能显著提高弹性体的介电常数,其机理是基于逾渗理论,即当导电粒子达到逾渗阈值时,介电常数迅猛增大。但是当导电粒子填充量达到或超过逾渗阈值,复合材料将产生较大的介电损耗,发生电击穿现象。
中国专利申请“一种具有高介电常数的纳米Fe2O3掺杂的聚偏氟乙烯复合材料”(专利申请号201410123589.4)提出了将Fe2O3与聚偏氟乙烯复合,得到的弹性体介电常数高达210。但是复合材料的模量大幅提高,要在很高的电压下才能使其发生形变。而且Fe2O3与聚偏氟乙烯的界面相容性较差,无机填料难以分散均匀,引起局部电场过高,材料容易在较低电场下击穿。
中国专利申请“一种高介电常数低介电损耗的石墨烯弹性体纳米复合材料及其制备方法”(专利申请号201310128269.3)提出了低填充量的石墨烯/弹性体复合材料的制备方法。得到的复合材料在保持良好的机械性能的同时获得较高的介电常数,但由于片状氧化石墨烯在弹性体基体中存在一定团聚现象,影响逾渗阈值进一步降低,且容易形成导电通路,电击穿强度较低,限制了其在实际中的应用。
发明内容
针对现有技术不足,本发明提供了一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料及其制备方法。
一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,以质量份数计,其组成为,
橡胶基体:100份,
硫化体系:1.5-9份,
高介电陶瓷填料:10-50份,
极性增塑剂:10-50份;
所述橡胶基体为溴化丁基橡胶;
所述硫化体系为氧化锌和硬脂酸钙;
所述高介电陶瓷填料为钛酸钡、二氧化钛或氧化铝陶瓷填料;
所述极性增塑剂为磷酸三丁脂(TBP)、癸二酸二异辛酯(DIOS)、癸二酸二辛酯(DOS)、丁氧基乙醇壬酯(BCP)、己二酸二异辛酯(DOA)、壬二酸二异辛酯(DIOZ)、癸二酸二丁酯(DBS)、癸二酸二(2-乙基己基)酯(DOS)或磷酸三(2-乙基己基)酯(TOP)。
溴化丁基橡胶含溴质量分数为0.5%-2%。
以质量份数计,所述硫化体系为1-7份氧化锌和0.5-2份硬脂酸钙。
所述高介电陶瓷填料的粒径为30nm-60nm。
所述溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其拉伸强度为0.72-1.41MPa,断裂伸长率为795%-3399%;1kHz下的介电常数为2.07-6.25;杨氏模量为0.12-0.78MPa;击穿电压为20-60kV/mm,产生的电致形变为20%-38%。
上述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料的制备方法,包括以下步骤:
以质量份数计,将溴化丁基橡胶100份、硫化体系1.5-9份、高介电陶瓷填料10-50份、极性增塑剂10-50份共混,在20-60℃混炼均匀,出片,混炼胶室温停放7-16h后,在平板硫化机上硫化,制得溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料。
所述硫化压力为10-20MPa,温度为150-180℃,时间为25-40min。
本发明的有益效果为:
本发明选取溴化丁基橡胶为基体,向基体中添加高介电常数的介电陶瓷填料和极性小分子增塑剂,所制备的介电弹性体复合材料具有高介电常数、低弹性模量及优良延展性的特点,同时可以在较低的外加电压下获得高电致形变。溴化丁基橡胶保留了丁基橡胶所固有的耐热、耐臭氧、耐化学腐蚀介质、滞后性高、屈挠疲劳强度高以及透气性低等优点,同时由于取代溴原子的存在,提高了溴化丁基橡胶的极性,改善了其与无机填料的相容性;添加高介电常数的介电陶瓷填料能够提高弹性体的介电常数,同时通过加入极性小分子增塑剂,使复合材料模量显著降低;这种高介电低模量的介电弹性体复合材料可以在低电场下获得高电致形变,改善了传统方法中介电弹性体需要在高电压下才能产生大电致形变的情况。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本实施方式中,
断裂伸长率测定:根据国标GB/T528-2009,采用型号为RG2000-100的微机控制电子万能试验机测样品的应力应变曲线,从应力应变曲线中获得拉伸强度和断裂伸长率。
电致形变测定:将复合材料上下表面喷上自制柔性电极,放置于鼓风烘箱中30-40℃下干燥4h,使得柔性电极固化,所述柔性电极由型号为sylgard184硅橡胶5-10g、二甲基硅油5-10g、EC-300J超导炭黑2-6g、正庚烷100-500ml、81NW固化剂0.5-2g混合而成。将直流高压电源的正负极搭在柔性电极上下两个表面,控制电压由初始电压0V以50-100V/s的速度匀速上升,测定介电弹性体柔性电极方向上的电致形变和击穿电压。
介电常数测定:采用美国AgilentE4980A阻抗仪在室温下测试介电性能,测试频率范围为20-106Hz。
杨氏模量测定:依照HG4-834-81标准(化工行标),采用静态重物法测其杨氏模量。
实施例1:以溴化丁基橡胶为基体,采用纳米钛酸钡为高介电陶瓷填料,具体操作步骤为:(1)将100质量份的溴化丁基橡胶在开炼机上室温塑练,逐渐加入10质量份粒径为30nm的纳米钛酸钡,然后逐渐加入1质量份硬脂酸钙和5质量份氧化锌割刀混炼,打三角包,使之混炼均匀,再逐渐倒入10质量份的磷酸三丁脂(TBP),混炼均匀,出片。(2)混炼胶停放7-16h后,在平板硫化机上设置压力15Mpa、于170℃下硫化40min,制得溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料。测试结果见表1。
实施例2:制备方法同实施例1,不同的是钛酸钡的份数为30质量份。测试结果见表1。
实施例3:制备方法同实施例1,不同的是钛酸钡的份数为50质量份。测试结果见表1。
实施例4:制备方法同实施例1,不同的是TBP的份数为30质量份。测试结果见表1。
实施例5:制备方法同实施例1,不同的是TBP的份数为50质量份。测试结果见表1。
实施例6:制备方法同实施例1,不同的是高介电陶瓷填料为粒径60nm的二氧化钛粒子,质量份为10份,极性增塑剂为癸二酸二辛酯(DOS),质量份为10份,测试结果见表1。
实施例7:制备方法同实施例6,不同的是二氧化钛份数为30质量份。测试结果见表1。
实施例8:制备方法同实施例6,不同的是二氧化钛份数为50质量份。测试结果见表1。
实施例9:制备方法同实施例6,不同的是DOS质量份为30质量份。测试结果见表1。
实施例10:制备方法同实施例6,不同的是DOS质量份为50质量份。测试结果见表1。
实施例11:制备方法同实施例1,不同的是高介电陶瓷填料为粒径30nm的氧化铝粒子,质量份为10份,增塑剂为磷酸三(2-乙基己基)酯(TOP),质量份为10份,测试结果见表1。
实施例12:制备方法同实施例11,不同的是氧化铝份数为30质量份。测试结果见表1。
实施例13:制备方法同实施例11,不同的是氧化铝份数为50质量份。测试结果见表1。
实施例14:制备方法同实施例11,不同的是TOP份数为30质量份。测试结果见表1。
实施例15:制备方法同实施例11,不同的是TOP份数为50质量份。测试结果见表1。
对比例1:制备方法同实施例1,不同的是橡胶基体选择DowCorningC6-235硅橡胶,加入50质量份粒径30nm的纳米钛酸钡粒子,50质量份硅油。测试结果见表1。
对比例2:制备方法同实施例1,不同的是橡胶基体选择丙烯酸酯橡胶,加入50质量份粒径60nm的二氧化钛粒子,50质量份TBP。测试结果见表1。
从表1可以看出,本发明采用溴化丁基橡胶制备的介电弹性体复合材料具有较大的断裂伸长率,并具有高介电常数和低弹性模量的特点,特别是在20-60kV/mm电场作用下能够产生20%-38%的大电致形变,即具有在低电场作用下产生高电致形变的优良性质。
表1
Claims (7)
1.一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其特征在于,以质量份数计,其组成为,
橡胶基体:100份,
硫化体系:1.5-9份,
高介电陶瓷填料:10-50份,
极性增塑剂:10-50份;
所述橡胶基体为溴化丁基橡胶;
所述硫化体系为氧化锌和硬脂酸钙;
所述高介电陶瓷填料为钛酸钡、二氧化钛或氧化铝陶瓷填料;
所述极性增塑剂为磷酸三丁脂、癸二酸二异辛酯、癸二酸二辛酯、丁氧基乙醇壬酯、己二酸二异辛酯、壬二酸二异辛酯、癸二酸二丁酯、癸二酸二(2-乙基己基)酯或磷酸三(2-乙基己基)酯。
2.根据权利要求1所述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其特征在于,溴化丁基橡胶含溴质量分数为0.5%-2%。
3.根据权利要求1所述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其特征在于,以质量份数计,所述硫化体系为1-7份氧化锌和0.5-2份硬脂酸钙。
4.根据权利要求1所述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其特征在于,所述高介电陶瓷填料的粒径为30nm-60nm。
5.根据权利要求1所述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其特征在于,所述溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料,其拉伸强度为0.72-1.41MPa,断裂伸长率为795%-3399%;1kHz下的介电常数为2.07-6.25;杨氏模量为0.12-0.78MPa;击穿电压为20-60kV/mm,产生的电致形变为20%-38%。
6.权利要求1-5任一权利要求所述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
以质量份数计,将溴化丁基橡胶100份、硫化体系1.5-9份、高介电陶瓷填料10-50份、极性增塑剂10-50份共混,在20-60℃混炼均匀,出片,混炼胶室温停放7-16h后,在平板硫化机上硫化,制得溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料。
7.根据权利要求6所述一种溴化丁基橡胶介电弹性体复合材料的制备方法,其特征在于,所述硫化压力为10-20MPa,温度为150-180℃,时间为25-40min。
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CN105602133B (zh) | 2017-12-22 |
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