CN107955377A - 一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，属于功能复合材料制备领域。包括如下步骤：1）将填充颗粒与弹性体基体在200～1000W功率下超声分散0.5～3h，得到第一混合体；2）向第一混合体中加入固化剂，经搅拌得到第二混合体；3）将第二混合体系注入模具中，在两侧施加50～2000V/mm的电场直至弹性体基体完全固化。本发明所述的方法是在材料固化成型之前使得介电弹性体内部产生填料有序排列的内部结构，因此可以根据需求进行有利于材料性能提高的内部结构调控，实现从调控材料微观结构入手提高介电弹性体材料电致形变性能。

Description

一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法
技术领域
本发明属于功能复合材料制备领域，具体为一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，可用于电活性聚合物驱动器的设计与开发。
背景技术
介电弹性体可用作微型驱动材料，在微型机器人、微型驱动器、人造心脏等领域具有广阔而重要的应用前景。但其面临着如何进一步提高电致形变性能的问题，尤其是在相对较低的驱动电压下获得较高的电致形变量。
根据介电弹性体驱动器原理= /( 式中：是材料厚度方向的形变量，Y是材料的弹性模量，和分别是材料的真空介电常数和相对介电常数，E是施加的电场强度，RonPelrine,et al. Science, 2000，287: 836-839)，在一定的驱动电场E下，提高弹性体的介电常数ε和降低其模量Y是提升介电弹性体驱动器电致形变性能的有效方法。中国专利CN101250327A公开了一种使用高介电常数的钛酸钡铁电陶瓷材料填充硅橡胶提高弹性体介电常数的方法，填充量在30%时介电常数可达到360，但这种方法是以高填充量引起模量Y急剧上升为代价的。中国专利CN103183847B则根据逾渗阈值理论，以低添加量（接近逾渗阈值）的导电石墨烯材料即大幅提高了弹性体的介电常数，而其模量并没有明显变大，较好地解决了高填充量引起模量增加的矛盾。但是，导电填料用量接近逾渗阈值时易形成导电通路，材料的介电损耗大幅度升高，电击穿强度也明显下降，限制了介电弹性体的实际应用。中国专利CN104031297B利用聚多巴胺在导电填料石墨烯表层进行包覆，形成绝缘层，以此阻隔或弱化导电颗粒相互接近形成导电通道而产生损耗增大，制备得到了介电损耗低，满足生物医疗领域安全性的石墨烯基介电弹性体复合材料。
综上所述，现有的发明工作都是着眼于对复合材料的组成（填充相或基体材料）进行调整优化以提高介电弹性体电致形变性能，没有从介电弹性体的制备工艺、制备方法方面入手进行电致形变性能提升的探究。
发明内容
本发明的目的是提供了一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，该方法改变了传统的填充颗粒在弹性体基体中随机分布的做法，而是通过将填充颗粒与弹性体基体充分混合后，利用外电场作用对分散在弹性体中的填充颗粒进行诱导极化，排列，成型固化后得到填充颗粒有序排列的介电弹性体，这种填充颗粒有序排列的内部结构不仅有利于提高介电弹性体的介电常数，而且可以降低基体材料的弹性模量，即增大了电能-机械能转化因子/（即介电常数与弹性模量比值），有利于介电弹性体电致形变性能提升。
实现上述目的的技术方案是：一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）将填充颗粒与弹性体基体在200～1000 W 功率下超声分散0.5～3 h，得到第一混合体；
2）向第一混合体中加入固化剂，经搅拌得到第二混合体；
3）将第二混合体系注入模具中，在两侧施加50～2000V/mm的电场直至弹性体基体完全固化。
进一步地，步骤1）中的填充颗粒与弹性体基体的质量比0.1～10∶100。。
进一步地，步骤1）中的介电弹性体基体为硅橡胶。
进一步地，步骤1）中的填充颗粒为介电颗粒，导电颗粒或介电/导电层复合颗粒中的一种。
进一步地，所述介电/导电层复合颗粒的制备方法包括如下步骤：先将纳米微球与多巴胺溶液超声混合，再在常温下磁力搅拌均匀后用去离子水离心、洗涤后得到纳米微球/多巴胺复合颗粒；然后将聚苯乙烯/多巴胺复合颗粒超声分散到银氨溶液中，磁力搅拌均匀后滴加过量的葡萄糖溶液，再经搅拌均匀后，用去离子水离心洗涤后干燥得到纳米微球/多巴胺/银复合颗粒；最后将纳米微球/多巴胺/银复合颗粒与多巴胺溶液混合，再在常温下磁力搅拌均匀后用去离子水对产物离心、洗涤后得到纳米微球/多巴胺/银/多巴胺介电纳米颗粒，即为介电/导电层复合颗粒。
进一步地，聚苯乙烯的用量为多巴胺溶液的0.1～2%wt。
进一步地，聚苯乙烯/多巴胺复合颗粒的用量为银氨溶液的0.1～2%wt。
进一步地，银氨溶液的浓度为0.05～0.25 mol/L，步骤1）中的聚苯乙烯/多巴胺/银复合颗粒的用量为多巴胺溶液的0.1～2%wt。
进一步地，纳米微球为纳米聚苯乙烯微球、纳米聚甲基丙烯酸甲酯微球、纳米二氧化硅微球中的一种。
进一步地，多巴胺溶液与纳米微球、纳米微球/多巴胺/银复合颗粒混合前均需调节PH值至8.5。
与现有技术相比，本发明的优点和特点在于：
1）本发明所述的方法是在材料固化成型之前使得介电弹性体内部产生填料有序排列的内部结构，因此可以根据需求进行有利于材料性能提高的内部结构调控，实现从调控材料微观结构入手提高介电弹性体材料电致形变性能。
2）本发明所提供的方法适用范围广，既可用于介电颗粒填料体系，也可用于导电填料体系，且不受填料形状限制。
附图说明
图1（a）为硅橡胶在固化过程中无施加外电场时，介电/导电层复合颗粒在弹性体基体中的分布图；
图1（b）为硅橡胶在固化过程中有施加外电场时，介电/导电层复合颗粒在弹性体基体中的分布图；
图2（a）为硅橡胶在固化过程中无施加外电场时，导电颗粒在弹性体基体中的分布图；
图2（b）为硅橡胶在固化过程中有施加外电场时，导电颗粒在弹性体基体中的分布图；
图3(a)为填充颗粒的填充量为0.1％时有/无施加外电场固化制得硅橡胶介电弹性体电致形变对比图；
图3(b)为填充颗粒的填充量为0.5％时有/无施加外电场固化制得硅橡胶介电弹性体电致形变对比图。
其中，图3（a）（b）中的横坐标为电场强度，纵坐标为形变量。
具体实施方式
实施例1
一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法：称取0.02g介电/导电层复合颗粒，加入到2g液体硅橡胶 (道康宁RTV-3483，为道康宁公司生产销售产品)和3ml四氢呋喃的混合溶液（四氢呋喃的作用是稀释本来是粘性的硅橡胶，还可以采用氯仿或甲苯代替），在200 W功率下超声分散1 h，再加入0.4ml固化剂(道康宁RTV-3083，为道康宁公司生产销售产品)，充分搅拌10 min后注入到聚四氟乙烯槽状模具（50mm×20mm×5mm）中，负压脱气(负压的作用是脱除混合过程中可能引入的气泡，为此类制备方法的常用技术手段)1min，然后在两侧施加50V/mm电场直至硅橡胶完全固化。关闭电场，拆除模具后得到介电弹性体材料，实现了介电弹性体材料电致形变性能的提高。
本实施例的介电/导电层复合颗粒的制备方法为：（a）配制浓度为2 g/L的盐酸多巴胺溶液，再用1 g/L的三（羟甲基）氨基甲烷溶液调节其pH到8.5后，向100ml的多巴胺溶液中加入0.3g 聚苯乙烯微球，超声混合，常温下磁力搅拌18 h，用去离子水对产物离心、洗涤后得到聚苯乙烯/多巴胺复合颗粒；（b）配置浓度为0.25mol/L的银氨溶液，配制方法为公知方法，即向硝酸银溶液中滴加过量氨水直至生成的沉淀刚好完全消失为止，将0.3g聚苯乙烯/多巴胺复合颗粒超声分散到100ml银氨溶液中，磁力搅拌1 h后，滴加过量的葡萄糖溶液，1 h后用去离子水离心、洗涤三次，干燥得到聚苯乙烯/多巴胺/银复合颗粒；（c）配制浓度为2 g/L的盐酸多巴胺溶液，再用1 g/L的三(羟甲基)氨基甲烷溶液调节其pH到8.5得到多巴胺溶液，向100ml的多巴胺溶液中加入0.3g 聚苯乙烯/多巴胺/银复合颗粒，超声混合，再常温下磁力搅拌18 h，再用去离子水对产物离心、洗涤后得到聚苯乙烯/多巴胺/银/多巴胺介电纳米颗粒，即为介电/导电层复合颗粒。
实施例2
一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法：称取0.002g介电/导电层复合颗粒，加入到2g液体硅橡胶 (道康宁RTV-3483，为道康宁公司生产销售产品)和3ml四氢呋喃的混合溶液中，在200 W 功率下超声分散1 h，再加入0.4ml固化剂(道康宁RTV-3083，为道康宁公生产销售产品)充分搅拌10 min后注入到聚四氟乙烯槽状模具（50mm×20mm×5mm）中，负压脱气1min，然后在两侧施加2000V/mm电场直至硅橡胶完全固化。关闭电场，拆除模具后得到介电弹性体材料，实现了介电弹性体材料电致形变性能的提高。
本实施例的介电/导电层复合颗粒的制备方法为：（a）配制浓度为2 g/L的盐酸多巴胺溶液，再用1 g/L的三（羟甲基）氨基甲烷溶液调节其pH到8.5后得到多巴胺溶液，向100ml的多巴胺溶液中加入0.3g纳米聚甲基丙烯酸甲酯微球，超声混合，常温下磁力搅拌18h，用去离子水对产物离心、洗涤后得到纳米聚甲基丙烯酸甲酯/多巴胺复合颗粒；（b）配置浓度为0.05mol/L的银氨溶液，配制方法为公知方法，即向硝酸银溶液中滴加过量氨水直至生成的沉淀刚好完全消失为止，将0.3g纳米聚甲基丙烯酸甲酯/多巴胺复合颗粒超声分散到100ml银氨溶液中，磁力搅拌1 h后，滴加过量的葡萄糖溶液，1 h后用去离子水离心、洗涤三次，干燥得纳米聚甲基丙烯酸甲酯/多巴胺/银复合颗粒；（c）配制浓度为2 g/L的盐酸多巴胺溶液，再用1 g/L的三(羟甲基)氨基甲烷溶液调节其pH到8.5得到多巴胺溶液，向100ml的多巴胺溶液中加入0.3g 纳米聚甲基丙烯酸甲酯/多巴胺/银复合颗粒，超声混合，再常温下磁力搅拌18 h，再用去离子水对产物离心、洗涤后得到纳米聚甲基丙烯酸甲酯微球/多巴胺/银/多巴胺介电纳米颗粒，即为介电/导电层复合颗粒。
实施例3
一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法：称取0. 2g介电/导电层复合颗粒，加入到2g液体硅橡胶 (道康宁RTV-3483，为道康宁公司生产销售产品)和3ml四氢呋喃的混合溶液中，在1000 W 功率下超声分散1 h，再加入0.4ml固化剂 (道康宁RTV-3083，为道康宁公司生产销售产品)，充分搅拌10 min后注入到聚四氟乙烯槽状模具（50mm×20mm×5mm）中，负压脱气1min，然后在两侧施加50V/mm电场直至硅橡胶完全固化。关闭电场，拆除模具后得到介电弹性体材料。
本实施例的介电/导电层复合颗粒的制备方法为：配制浓度为2 g/L的盐酸多巴胺溶液，再用1 g/L的三（羟甲基）氨基甲烷溶液调节其pH到8.5后得到多巴胺溶液，向100ml的多巴胺溶液中加入0.3g 纳米二氧化硅微球，超声混合，常温下磁力搅拌18 h，用去离子水对产物离心、洗涤后得到纳米二氧化硅/多巴胺复合颗粒；（b）配置浓度为0.15mol/L的银氨溶液，配制方法为公知方法，即向硝酸银溶液中滴加过量氨水直至生成的沉淀刚好完全消失为止，将0.3g纳米二氧化硅/多巴胺复合颗粒超声分散到100ml银氨溶液中，磁力搅拌1 h后，滴加过量的葡萄糖溶液，1 h后用去离子水离心、洗涤三次，干燥得到纳米二氧化硅/多巴胺/银复合颗粒；（c）配制浓度为2 g/L的盐酸多巴胺溶液，再用1 g/L的三(羟甲基)氨基甲烷溶液调节其pH到8.5得到多巴胺溶液，向100ml的多巴胺溶液中加入0.3g 纳米二氧化硅/多巴胺/银复合颗粒，超声混合，再常温下磁力搅拌18 h，再用去离子水对产物离心、洗涤后得到纳米二氧化硅/多巴胺/银/多巴胺介电纳米颗粒，即为介电/导电层复合颗粒。
实施例4：
一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法：称取0.01g导电颗粒：市售碳纳米管（或采用石墨烯或导电聚苯胺）加入到1g液体硅橡胶(道康宁RTV-3483，为道康宁公司生产销售产品)和3ml四氢呋喃的混合溶液中，在200 W 功率下超声分散1 h，再加入0.4ml固化剂(道康宁RTV-3083，为道康宁公司生产销售产品)，充分搅拌10 min后注入到聚四氟乙烯槽状模具（50mm×20mm×5mm）中，负压脱气1min，然后在两侧施加400V/mm电场直至硅橡胶完全固化。关闭电场，拆除模具后得到介电弹性体材料。
实施例5
实施例5与实施例4的方法基本相同，不同点在于：液体硅橡胶与导电颗粒的质量比为100：10或100:5或100:3。
实施例6：
称取0.01g介电颗粒：市售钛酸铜钙（300nm）（或为二氧化钛）加入到1g液体硅橡胶(道康宁RTV-3483)和3g四氢呋喃的混合溶液中，在400 W 功率下超声分散1 h，再加入0.4ml固化剂(道康宁RTV-3083)，充分搅拌10 min后注入到聚四氟乙烯槽状模具（50mm×20mm×5mm）中，负压脱气1min，然后在两侧施加600V/mm电场直至硅橡胶完全固化。关闭电场，拆除模具后得到介电弹性体材料。
实施例7
实施例7与实施例6的方法基本相同，不同点在于：液体硅橡胶与介电颗粒的质量比为100：0.1或100:10或100:3。
对比例：
对比例与第一实施例1—7的区别在于：各组分注入到聚四氟乙烯槽状模具后，在硅橡胶固化过程中未施加外电场。
如图1所示，硅橡胶在固化过程中未施加电场时无施加外电场时，介电/导电层复合颗粒在弹性体基体中呈现随机分布（图1a），当施加外电场后，介电填料在基体中成有序排列（图1b）。
如图2所示，硅橡胶在固化过程中未施加电场时无施加外电场时，导电颗粒在弹性体基体中呈现随机分布（图2a），当施加外电场后，导电颗粒在基体中成有序排列（图2b）。
三、将实施例1—7和对比例所得的介电弹性体材料进行电致形变性能测试。
电致形变性能测试具体步骤：用高压喷枪在介电弹性体材料薄膜的两侧喷涂柔性电极，待电极自然晾干后，在介电弹性体材料薄膜两侧施加电压，同时用数码相机记录介电弹性体的电极区域在电场刺激下的形状变化，通过分析各电压强度下电极区域面积的变化率获得电致形变量。图3（a）（b）示出了不同填充量时有/无施加外电场固化制得的碳纳米管/硅橡胶介电弹性体电致形变量对化情况，从图中可以看出，在硅橡胶固化过程中施加外电场可以提升介电弹性体材料电致形变量。

Claims (10)

1.一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）将填充颗粒与弹性体基体在200～1000 W 功率下超声分散0.5～3 h，得到第一混合体；
2）向第一混合体中加入固化剂，经搅拌得到第二混合体；
3）将第二混合体系注入模具中，在两侧施加50～2000V/mm的电场直至弹性体基体完全固化。
2.根据权利要求1所述的一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，其特征在于：步骤1）中的填充颗粒与弹性体基体的质量比0.1～10∶100。
3.根据权利要求1所述的一种提高介电弹性体材料电致形变性能的方法，其特征在于：步骤1）中的介电弹性体基体为硅橡胶。
4.根据权利要求1所述介电弹性体材料，其特征在于：步骤1）中的填充颗粒为介电颗粒，导电颗粒或介电/导电层复合颗粒中的一种。
5.根据权利要求4所述的介电弹性体材料，其特征在于：所述介电/导电层复合颗粒的制备方法包括如下步骤：先将纳米微球与多巴胺溶液超声混合，再在常温下磁力搅拌均匀后用去离子水离心、洗涤后得到纳米微球/多巴胺复合颗粒；然后将纳米微球/多巴胺复合颗粒超声分散到银氨溶液中，磁力搅拌均匀后滴加过量的葡萄糖溶液，再经搅拌均匀后，用去离子水离心洗涤后干燥得到纳米微球/多巴胺/银复合颗粒；最后将纳米微球/多巴胺/银复合颗粒与多巴胺溶液混合，再在常温下磁力搅拌均匀后用去离子水对产物离心、洗涤后得到聚苯乙烯/多巴胺/银/多巴胺介电纳米颗粒，即为介电/导电层复合颗粒。
6.根据权利要求5所述的具有预置结构介电弹性体材料的制备方法，其特征在于：纳米微球的用量为多巴胺溶液的0.1～2%wt。
7.根据权利要求5所述的具有预置结构介电弹性体材料的制备方法，其特征在于：纳米微球/多巴胺复合颗粒的用量为银氨溶液的0.1～2%wt。
8.根据权利要求5所述的具有预置结构介电弹性体材料的制备方法，其特征在于：银氨溶液的浓度为0.05～0.25 mol/L，步骤1）中的纳米微球/多巴胺/银复合颗粒的用量为多巴胺溶液的0.1～2%wt。
9.根据权利要求5所述的具有预置结构介电弹性体材料的制备方法，其特征在于：所述的纳米微球为纳米聚苯乙烯微球、纳米聚甲基丙烯酸甲酯微球、纳米二氧化硅微球中的一种。
10.根据权利要求5所述的具有预置结构介电弹性体材料的制备方法，其特征在于：多巴胺溶液与纳米微球、纳米微球/多巴胺/银复合颗粒混合前均需调节PH值至8.5。
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