CN112625267B - 氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法和应用 - Google Patents

氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氰乙基纤维素‑聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法，所述电致动器是由聚氯乙烯和氰乙基纤维素通过溶液共混法制备成复合凝胶，并在复合凝胶的两侧涂覆导电硅脂电极制备而成，利用下压弹簧作为预载荷，采用高压电源引入脉冲电信号，使该电致动器在电场下产生面外致动。本发明提出的氰乙基纤维素‑聚氯乙烯复合凝胶的介电性能和力学性能得到显著改善，相比于纯PVC凝胶的介电常数得到大幅提升，有利于电致动器在低电压下的电致动性能，相比于纯PVC凝胶粘弹性降低，有利于电致动器的稳定性和快速回复能力。本发明提出的氰乙基纤维素‑聚氯乙烯复合凝胶具有电容高、可拉伸、低模量的优点，可应用于高灵敏度位移传感器。

Description

氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高介电常数的氰乙基纤维素/聚氯乙烯复合凝胶电致动器的制备方法。
背景技术
介电弹性体致动器(DEA)是由夹在两个柔性电极之间的介电弹性体(DE)组成。在DEA的厚度方向施加外加电压，电极层两侧的异性电荷相互吸引，挤压DE，使其在厚度方向上收缩和平面内扩展，如图1所示。限制DEA广泛应用的一个缺点是的高工作电场(通常大于10V/μm)，而2V/μm及以下的电场在生物医学中被认为是无害的电场，因此，使DEA在低电场下稳定工作是一个强有力的挑战。
DEA在厚度方向的驱动应变Sz可近似为：
Sz＝-εrε0E2/Y＝-E2k(1)
式中，ε0是自由空间的介电常数，εr是DE的相对介电常数，Y是杨氏模量，E是外加电场。k为机电灵敏度(k＝ε/Y)。因此，提高DE的介电常数是改善低电场下驱动性能的有效方法。
聚氯乙烯凝胶通常由聚氯乙烯(PVC)和增塑剂通过溶液共混法制备，能够实现大批量和工业化生产。聚氯乙烯凝胶具有价格低廉和弹性模量低的优点，因此可以用来制备介电弹性体电致动器。但是聚氯乙烯凝胶自身较低的介电常数，导致所制备的介电弹性体电致动器需要较高的工作电压(通常＞5kV)，限制了其广泛应用。另外由于具有较高的粘弹性不但使聚氯乙烯凝胶在进行电致动响应时出现蠕变的现象，而且弹性回复速度变慢。这些问题不利于基与聚氯乙烯凝胶的介电弹性体电致动器在机器人、微泵等领域的应用，因此提高聚氯乙烯凝胶的介电常数和粘弹性变得至关重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法以及作为传感器的应用。采用溶液共混法制备氰乙基纤维素/聚氯乙烯复合凝胶，氰乙基纤维素的高介电常数弥补了聚氯乙烯凝胶介电常数低的缺点，解决了聚氯乙烯凝胶电致动器工作电压高的缺点。同时具有一维结构的氰乙基纤维素在聚氯乙烯凝胶中形成的网状结构，能够改善聚氯乙烯凝胶的力学性能，尤其是粘弹性，增加了电致动器的稳定性能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，所述电致动器是由聚氯乙烯和氰乙基纤维素通过溶液共混法制备成复合凝胶，并在复合凝胶的两侧涂覆导电硅脂电极制备而成，利用下压弹簧作为预载荷，采用高压电源引入脉冲电信号，使该电致动器在电场下产生面外致动。
进一步，所述的氰乙基纤维素的介电常数为11～15，取代度为1～2.5。
进一步，所述复合凝胶的厚度为0.5-1mm，弹性模量为0.12-0.73MPa；介电常数为4～7。
进一步，所述导电硅脂电极的厚度为0.1～0.2mm，直径为40mm，表面电阻为1000～3000Ω/sq。
进一步，所述电致动器在电场强度高于5V/μm和频率大于2Hz的脉冲电信号下，能够产生0.01～3mm的面外致动位移。
本发明所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将氰乙基纤维素溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到混合溶液A；将聚氯乙烯和邻苯二甲酸二辛酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到混合溶液B；(2)将混合溶液A和混合溶液B均匀混合，得到混合溶液C，将混合溶液C倒入玻璃培养皿中，在真空干燥箱中加热至溶剂完全挥发，得到氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶；
(3)将导电硅脂均匀涂敷在氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的两侧，并放入烘箱中使导电硅脂与复合凝胶牢固结合得到氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器。
进一步，所述步骤(1)中邻苯二甲酸二辛酯的质量是聚氯乙烯质量的2～4倍，氰乙基纤维素的质量占氰乙基纤维素、邻苯二甲酸二辛酯和聚氯乙烯总质量的百分比为5～15％。
将所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器应用于位移传感器，当氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的电容增加250～570pF时，所检测的位移为0.3～1.5mm。
本发明的有益效果：相对于纯聚氯乙烯凝胶，本发明制备的复合凝胶具有更高的介电常数和更低的粘弹性；本发明所制备的复合凝胶电致动器由于复合凝胶力学性能和介电性能的提升，能够在低电场下稳定工作。具体为：
(1)本发明提出的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的介电性能得到显著改善，相比于纯聚氯乙烯凝胶的介电常数得到大幅提升，有利于氰乙基纤维素-聚氯乙烯凝胶电致动器在低电压下的电致动性能。
(2)本发明提出的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的力学性能得到了明显改善。
相比于纯聚氯乙烯凝胶粘弹性降低，有利于氰乙基纤维素/聚氯乙烯凝胶电致动器的稳定性和快速回复能力。
(3)本发明提出的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器能够在低电场下稳定工作，同时响应频率和电压的变化，具有良好的可控性。
附图说明
图1为本发明氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的致动原理。
图2为本发明氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的红外光谱图。
图3为本发明氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的应力应变曲线和杨氏模量柱状图。
图4为本发明氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的介电常数和介电损耗。
图5为本发明氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的致动位移曲线。
图6为本发明氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器工作时的形状变化。
图7为本发明复合凝胶电致动器静止状态和产生位移时的电容信号的采集。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
聚氯乙烯凝胶(样品1)的制备
取一个100ml的洁净烧杯，加入20ml的N,N-二甲基甲酰胺，2g聚氯乙烯粉末，6g邻苯二甲酸二辛酯，在50℃下连续搅拌6小时，得到完全溶解的聚氯乙烯混合液。取一个直径为90mm底部平整的玻璃培养皿，用酒精擦拭干净。将聚氯乙烯混合液倒入玻璃培养皿中，然后放在真空干燥箱中室温下静置一小时，最后在真空干燥箱中60℃干燥24小时。用圆形模具将复合凝胶裁剪为直径80mm的样品，记为样品1，在洁净干燥的环境中保存。
实施例2
氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶(样品2)的制备
取一个100ml的洁净烧杯，加入20ml的N,N-二甲基甲酰胺和0.42g氰乙基纤维素，在50℃下连续搅拌6小时后，氰乙基纤维素完全溶解在N,N-二甲基甲酰胺中。然后称取2g聚氯乙烯粉末倒入氰乙基纤维素溶液中，并在50℃下连续搅拌1小时。最后称取6g邻苯二甲酸二辛酯加入烧杯中，并在50℃下连续搅拌1小时，完成复合溶液的制备。取一个直径为90mm底部平整的玻璃培养皿，用酒精擦拭干净。将聚氯乙烯混合液倒入玻璃培养皿中，然后放在真空干燥箱中室温下静置一小时，最后在真空干燥箱中60℃干燥24小时。用圆形模具将复合凝胶裁剪为直径80mm的样品，记为样品2，在洁净干燥的环境中保存。
实施例3
氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶(样品3)的制备
本实施例的氰乙基纤维素的质量为0.89g，其余步骤同实施例2，得到的复合凝胶记为样品3。
实施例4
氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶(样品4)的制备
本实施例的氰乙基纤维素的质量为1.41g，其余步骤同实施例2，得到的复合凝胶记为样品4。
实施例5
导电硅脂的制备
在一个洁净的一次性塑料水杯中分别加入2g导电硅脂A组分和2g导电硅脂B组分，再加入6g硅油，不断搅拌使导电硅脂均匀分散在硅油之中，直至看不到明显颗粒存在。
实施例6
聚氯乙烯凝胶电致动器的制备：
对实施例1制备的聚氯乙烯凝胶进行形变为40％的预拉伸，在拉伸状态下静置24小时。利用模具在拉伸状态下的复合凝胶的两侧涂覆直径40mm的圆形电极，在烘箱中60℃干燥12小时，得到样品1-1。
氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的制备：
对实施例2-4制备的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶进行形变为40％的预拉伸，在拉伸状态下静置24小时。利用模具在拉伸状态下的复合凝胶的两侧涂覆直径40mm的圆形电极，在烘箱中60℃干燥12小时，分别得到样品2-1、样品3-1和样品4-1。
实施例7
复合凝胶的化学结构分析
对所制备的样品1～4进行全反射红外测试分析，其结果如图2所示。样品1的红外光谱具有聚氯乙烯和领苯二甲酸二辛脂的典型特征峰，分别是C-Cl(600cm-1)和C＝O(1700cm-1)。样品2和3与样品4的红外光谱相同，相对于样品1新增的C≡N(2500cm-1)峰为氰乙基纤维素的特征峰。这一结果表明氰乙基纤维素在PVC凝胶中的化学结构没有发生变化。
实施例8
复合凝胶的力学性能分析
对所制备的样品1～4进行力学性能测试分析，将样品裁剪为哑铃形状，用万能试验拉力机进行拉伸测试，其应力应变曲线如图3所示。拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率如表1所示。
实施例9
复合凝胶的介电性能分析
对所制备的样品1～4进行介电性能测试分析，其介电常数和介电损耗随频率的变化趋势如图4所示，在100kHz下的介电常数记录与表1中。
表1.复合凝胶样品的力学性能和介电常数
Figure BDA0002843074770000071
实施例10
复合凝胶电致动器的电致动性能分析
对实施例6所制备的复合凝胶电致动器样品1-1、样品2-1、样品3-1和样品4-1进行电致动性能测试。测试条件为：电场强度10V/μm，频率2Hz，占空比40％。通过激光位移传感器记录复合凝胶电致动器中心点的面外致动位移，其曲线如图5所示。利用高速摄像机记录复合凝胶电致动器的形状变化，如图6所示。进一步研究氰乙基纤维素含量对复合凝胶电致动器的致动性能的影响，同时测试了电致动器在不同电压和频率下的电致动性能，相关数据记录与表2中。
表2.复合凝胶电致动器不同电压和不同频率下的致动位移
Figure BDA0002843074770000072
Figure BDA0002843074770000081
实施例11
复合凝胶电致动器用于位移传感器
实施例6所制备的复合凝胶电致动器样品应用于位移传感器，在复合凝胶电致动器产生位移时，其电容同时发生变化。因此可通过检测电致动器在产生位移时的电容变化，来判断其位移大小。采用电容测量仪器对静止状态和产生不同位移时电致动器的电容变化进行测量，其结果如图7所示。图中灰色区域电致动器的电容在0～100pF范围内波动，此时电致动器检测到的位移为0，白色区域内电致动器随着位移的不断变化，采集到的电容也不断变化。因此该电致动器可应用于位移传感器，具有灵敏度高，延迟低，测量范围宽的优点。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，其特征在于：所述电致动器是由聚氯乙烯和氰乙基纤维素通过溶液共混法制备成复合凝胶，并在复合凝胶的两侧涂覆导电硅脂电极制备而成，利用下压弹簧作为预载荷，采用高压电源引入脉冲电信号，使该电致动器在电场下产生面外致动。
2.根据权利要求1所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，其特征在于：所述的氰乙基纤维素的介电常数为11~15，取代度为1~2.5。
3.根据权利要求1所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，其特征在于：所述复合凝胶的厚度为0.5-1 mm，弹性模量为0.12-0.73 MPa；介电常数为4~7。
4.根据权利要求1所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，其特征在于：所述导电硅脂电极的厚度为0.1~0.2 mm，直径为40 mm，表面电阻为1000~3000Ω/sq。
5.根据权利要求1所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，其特征在于：所述电致动器在电场强度高于5 V/μm和频率大于2 Hz的脉冲电信号下，能够产生0.01~3 mm的面外致动位移。
6.根据权利要求1-5任一所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将氰乙基纤维素溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到混合溶液A；将聚氯乙烯和邻苯二甲酸二辛酯溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到混合溶液B；（2）将混合溶液A和混合溶液B均匀混合，得到混合溶液C，将混合溶液C倒入玻璃培养皿中，在真空干燥箱中加热至溶剂完全挥发，得到氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶；
（3）将导电硅脂均匀涂敷在氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶的两侧，并放入烘箱中使导电硅脂与复合凝胶牢固结合得到氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器。
7.根据权利要求6所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中邻苯二甲酸二辛酯的质量是聚氯乙烯质量的2~4倍，氰乙基纤维素的质量占氰乙基纤维素、邻苯二甲酸二辛酯和聚氯乙烯总质量的百分比为5~15 %。
8.将权利要求1-5任一所述的氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器应用于位移传感器，其特征在于：当氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器的电容增加250~570 pF时，所检测的位移为0.3~1.5 mm。
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