CN115141394B - 一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法 - Google Patents

一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,包括以下步骤:S1:将碳纳米管按质量体积比为1~2mg/mL加入到浓度为1.0‑1.2g/mL的聚乙二醇溶液中,超声振荡混合;S2:向超声混合过的混合液中边搅拌边滴加氯化钠溶液,控制所述混合液的温度和搅拌速度使聚乙二醇颗粒析出并包覆在碳纳米管表面,直至出现固体沉降颗粒;S3:将所述固定沉降颗粒从所述混合液中过滤分离,并烘干干燥即得到碳纳米管微胶囊;S4:将碳纳米管微胶囊溶解于乙醚中,并与聚氨酯弹性体熔融液进行共混,对共混液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。本发明提供的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,提高介电材料的综合性能,制备方法简单,易于工业化生产。

Description

一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域技术领域,更具体地,涉及一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法。
背景技术
介电弹性体作为一种新型柔性智能材料,在仿生机械柔性作动领域极具应用前景。目前关于介电弹性体研究仍集中在介电填料加入后如何平衡介电性能与模量等综合性能互悖难题,因为在随着介电填料增加的同时,介电弹性体弹性模量也会相应提高,这导致介电敏感性改善不佳,需要采取方法来解决材料介电敏感性低、电致形变量小等问题。
目前在传统制备介电弹性体的过程中,普遍会通过在介电基体和介电填料共混的过程中连续性添加增塑剂用于介电弹性体的改性处理,以此来平衡因介电填料的加入导致的模量增大问题,但在增塑剂添加到介电弹性体材料的过程中,不可避免的会因为增塑剂的连续性添加而导致介电材料链段连续性遭到破坏,使得介电材料的综合性能下降。
目前针对增塑剂的连续性添加导致的问题还没有人专门提出解决方案。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求,本发明提供了一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其目的在于提高介电弹性体的介电敏感性,增大介电材料的电致形变量,解决在聚氨酯介电弹性体制备过程中因增塑剂连续性添加导致的介电材料链段连续性遭到破坏,介电材料综合性能降低的问题。
按照本发明的一个方面,提供了一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,包括以下步骤:
S1:将碳纳米管按质量体积比为1~2mg/mL加入到质量浓度为1.0~ 1.2g/mL的聚乙二醇溶液中,超声振荡混合;
S2:向超声混合过的混合液中边搅拌边滴加氯化钠溶液,控制所述混合液的温度和搅拌速度使聚乙二醇颗粒析出并包覆在碳纳米管表面,直至出现固体沉降颗粒;
S3:将所述固定沉降颗粒从所述混合液中过滤分离,并烘干干燥得到碳纳米管微胶囊;
S4:将碳纳米管微胶囊溶解于乙醚中,并与聚氨酯弹性体熔融液进行共混,对共混液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
优选的,所述步骤S2中搅拌速度为1000-1200rpm,混合液温度为60-70℃。
优选的,所述超声波处理时间为10~12h。
优选的,沉淀物烘干干燥时间为48~60h,温度为35~38℃。
优选的,其特征在于所述氯化钠溶液的质量浓度20-25%。
优选的,所述碳纳米管微胶囊与聚氨酯纤维的比例为3:2。
优选的,所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
本发明提供的一种利用增塑剂包覆碳纳米管制备聚氨酯复合膜,利用聚乙二醇颗粒沉降并凝集在悬浮的碳纳米管介电填料表面形成囊壁包覆介电囊芯的介电微胶囊,再将介电微胶囊与聚氨酯共混制成聚氨酯复合膜,提高介电材料的介电敏感性,增大介电材料的电致形变量;同时将增塑剂与介电填料碳纳米管集成于介电微胶囊后再与聚氨酯共混的操作,解决了在聚氨酯弹性体制备过程中直接将增塑剂连续性添加到聚氨酯溶液中带来的对介电材料链段连续性的破坏,避免了介电材料综合性能的下降等一系列问题。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明利用聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)增塑剂包覆碳纳米管 (CarbonNanoTubes,WNTs)介电填料,形成柔性囊壁完整包覆介电囊芯的结构,得到功能性的介电微胶囊,再将介电微胶囊与聚氨酯溶液共混制备得到聚氨酯纤维膜,以平衡介电性能与模量等综合性能互悖难题,提高介电材料的介电敏感性,增大介电材料的电致形变量,同时避免了传统在聚氨酯弹性体制备过程中增塑剂直接连续性添加到聚氨酯溶液中而带来的对介电材料链段连续性破坏的问题,避免了介电材料综合性能的下降。
本发明所提供的一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,包括以下步骤:
S1:将碳纳米管按质量体积比为1~2mg/mL加入到浓度为1.0~1.2g/mL的聚乙二醇溶液中,超声振荡混合;
具体的,超声振荡的时间为10~12h,使碳纳米管充分分散在聚乙二醇容液中。
S2:向超声混合过的混合液中边搅拌边滴加氯化钠溶液,控制所述混合液的温度和搅拌速度使聚乙二醇颗粒析出并包覆在碳纳米管表面,直至出现固体沉降颗粒;
具体的,本发明采用单凝聚制备方法,即利用聚乙二醇柔性壁材溶液在凝聚剂干扰下的溶解度突变原理,使析出的微小的聚乙二醇颗粒陆续沉降并凝集在悬浮的碳纳米管介电填料表面形成囊壁包覆介电囊芯的介电微胶囊,并随着重量增大而发生沉降。
这里用到的凝聚剂为质量浓度20-25%的氯化钠溶液,控制搅拌速度在1000-1200rpm,混合液温度为60-70℃。
S3:将所述固定沉降颗粒从上述混合液中过滤分离,并烘干干燥即得到碳纳米管微胶囊;
具体的,沉淀物烘干干燥时间为48~60h,温度为35~38℃。
分离的方式本发明不做具体限制,优选的,采用减压抽滤装置进行过滤分离。
S4:将碳纳米管微胶囊溶解于乙醚中,并与聚氨酯弹性体熔融液进行搅拌共混,对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
下面结合若干具体的实施例对本发明提供的一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法进行详细说明。
实施例一
S1:将30g聚乙二醇溶于30mL去离子水中,在磁力搅拌条件下置于62℃分散均匀,制得浓度为1.0g/mL的聚乙二醇溶液。然后,将0.1g单壁碳纳米管转移至上述聚乙二醇溶液中,在超声振荡条件下混合10小时,制得分散有单壁碳纳米管的聚乙二醇溶液。
S2:将配制的NaCl凝续剂缓慢滴入上述混合液中,控制温度为66℃,磁力搅拌转速1100rpm,当混合溶液中PEG溶解度出现下降时,析出得细小PEG 颗粒将吸附在SWNTs表面,并随着析出质量的增大开始沉降到容器底部。降低混合液温度至64℃,将转速降低至1000rpm,直至容器底部不再出现沉降颗粒。
S3:将得到的固体颗粒利用减压抽滤装置进行固液过滤处理,并转移至 36℃烘箱中,干燥48小时,制得介电微胶囊。
S4:将30g介电微胶囊溶解于30g乙醚溶液中,并与20g聚氨酯介电弹性体熔融液进行搅拌共混,得到分散有介电微胶囊的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
实施例二
S1:将30g聚乙二醇溶于30g去离子水中,在磁力搅拌条件下置于58℃分散均匀,制得浓度为1.0g/mL的聚乙二醇溶液。然后,将0.1g单壁碳纳米管转移至上述聚乙二醇溶液中,在超声振荡条件下混合12小时,制得分散有单壁碳纳米管的聚乙二醇溶液。
S2:将配制的NaCl凝续剂缓慢滴入上述混合液中,控制温度为70℃,磁力搅拌转速1000rpm,当混合溶液中PEG溶解度出现下降时,析出得细小PEG 颗粒将吸附在SWNTs表面,并随着析出质量的增大开始沉降到容器底部。降低混合液温度至60℃,将转速降低至1000rpm,直至容器底部不再出现沉降颗粒。
S3:将得到的固体颗粒利用减压抽滤装置进行固液过滤处理,并转移至 35℃烘箱中,干燥48小时,制得介电微胶囊。
S4:将30g介电微胶囊溶解于30g乙醚溶液中,并与20g聚氨酯介电弹性体熔融液进行搅拌共混,得到分散有介电微胶囊的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
实施例三
S1:将30g聚乙二醇溶于30g去离子水中,在磁力搅拌条件下置于65℃分散均匀,制得浓度为1.0g/mL的聚乙二醇溶液。然后,将0.1g单壁碳纳米管转移至上述聚乙二醇溶液中,在超声振荡条件下混合11小时,制得分散有单壁碳纳米管的聚乙二醇溶液。
S2:将配制的NaCl凝续剂缓慢滴入上述混合液中,控制温度为65℃,磁力搅拌转速1100rpm,当混合溶液中PEG溶解度出现下降时,析出得细小PEG 颗粒将吸附在SWNTs表面,并随着析出质量的增大开始沉降到容器底部。降低混合液温度至60℃,将转速降低至1000rpm,直至容器底部不再出现沉降颗粒。
S3:将得到的固体颗粒利用减压抽滤装置进行固液过滤处理,并转移至 38℃烘箱中,干燥48小时,制得介电微胶囊。
S4:将30g介电微胶囊溶解于30g乙醚溶液中,并与20g聚氨酯介电弹性体熔融液进行搅拌共混,得到分散有介电微胶囊的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
实施例四
S1:将30g聚乙二醇溶于25g去离子水中,在磁力搅拌条件下置于62℃分散均匀,制得浓度为1.2g/mL的聚乙二醇溶液。然后,将0.055g单壁碳纳米管转移至上述聚乙二醇溶液中,在超声振荡条件下混合10小时,制得分散有单壁碳纳米管的聚乙二醇溶液。
S2:将配制的NaCl凝续剂缓慢滴入上述混合液中,控制温度为66℃,磁力搅拌转速1100rpm,当混合溶液中PEG溶解度出现下降时,析出得细小PEG 颗粒将吸附在SWNTs表面,并随着析出质量的增大开始沉降到容器底部。降低混合液温度至64℃,将转速降低至1000rpm,直至容器底部不再出现沉降颗粒。
S3:将得到的固体颗粒利用减压抽滤装置进行固液过滤处理,并转移至 36℃烘箱中,干燥48小时,制得介电微胶囊。
S4:将30g介电微胶囊溶解于30g乙醚溶液中,并与20g聚氨酯介电弹性体熔融液进行搅拌共混,得到分散有介电微胶囊的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
实施例五
S1:将30g聚乙二醇溶于25g去离子水中,在磁力搅拌条件下置于62℃分散均匀,制得浓度为1.2g/mL的聚乙二醇溶液。然后,将0.11g单壁碳纳米管转移至上述聚乙二醇溶液中,在超声振荡条件下混合10小时,制得分散有单壁碳纳米管的聚乙二醇溶液。
S2:将配制的NaCl凝续剂缓慢滴入上述混合液中,控制温度为66℃,磁力搅拌转速1100rpm,当混合溶液中PEG溶解度出现下降时,析出得细小PEG 颗粒将吸附在SWNTs表面,并随着析出质量的增大开始沉降到容器底部。降低混合液温度至64℃,将转速降低至1000rpm,直至容器底部不再出现沉降颗粒。
S3:将得到的固体颗粒利用减压抽滤装置进行固液过滤处理,并转移至 36℃烘箱中,干燥48小时,制得介电微胶囊。
S4:将30g介电微胶囊溶解于30g乙醚溶液中,并与20g聚氨酯介电弹性体熔融液进行搅拌共混,得到分散有介电微胶囊的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
实施例六
S1:将30g聚乙二醇溶于30g去离子水中,在磁力搅拌条件下置于62℃分散均匀,制得浓度为1.0g/mL的聚乙二醇溶液。然后,将0.06g单壁碳纳米管转移至上述聚乙二醇溶液中,在超声振荡条件下混合10小时,制得分散有单壁碳纳米管的聚乙二醇溶液。
S2:将配制的NaCl凝续剂缓慢滴入上述混合液中,控制温度为66℃,磁力搅拌转速1100rpm,当混合溶液中PEG溶解度出现下降时,析出得细小PEG 颗粒将吸附在SWNTs表面,并随着析出质量的增大开始沉降到容器底部。降低混合液温度至64℃,将转速降低至1000rpm,直至容器底部不再出现沉降颗粒。
S3:将得到的固体颗粒利用减压抽滤装置进行固液过滤处理,并转移至 36℃烘箱中,干燥48小时,制得介电微胶囊。
S4:将30g介电微胶囊溶解于30g乙醚溶液中,并与20g聚氨酯介电弹性体熔融液进行搅拌共混,得到分散有介电微胶囊的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
对照例:将0.1g单壁碳纳米管溶解于15g乙醚溶液,将30PEG溶解于15g 乙醚溶液中,将上述两种溶液与20g聚氨酯熔融液进行搅拌共混得到分散有单壁碳纳米管和聚乙二醇的聚氨酯混合液,然后对混合液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
将实施例1-6及对照例中制备得到的利用增塑剂包覆碳纳米管制备聚氨酯复合膜进行介电性能、电致面积形变、力学性能的检测,具体检测如下:
力学性能:使用万能电子拉力试验机对聚氨酯纤维膜进行力学拉伸测试。将弹性体膜裁成50mm×10mm的样条,在空气湿度为20%、温度为25℃条件下,以50mm/min速度拉伸样条,直至样条断裂。
介电性能:聚氨酯介电弹性体薄膜被裁剪成厚度为1mm,直径为10mm的圆片,上下表面覆盖上电极,采用德国Novocontrol公司的宽频介电阻抗分析仪测试其在室温下1-10HZ的频率范围内的介电常数。
介电性能通过介电敏感系数β来评价,一般β值越大,表明介电性能越好,
Figure SMS_1
电致面积形变:将全氟聚醚柔性电极均匀涂覆在经过环氧边框约束的聚氨酯膜的两侧,并使用铜箔相向导出封装成聚氨酯膜作动单元。在此基础上,通过电源和高压发生器的连接搭建成电致形变测试平台。电致形变测试时高清相机对焦处理可记录聚氨酯膜作动单元在电压加载前后的面积变化。最后,对照相机记录的图像进行处理并计算可得到聚氨酯膜作动单元电致形变率。
测量数据见表1。
Figure SMS_2
如表1所示,和对比例相比,通过本发明的利用碳纳米管介电微胶囊制备得到的聚氨酯复合膜在其拉伸强度、介电敏感性、电致面积形变都得到明显的增强,对介电材料的综合性能改善取得了显著的效果。
本领域的技术人员容易理解,以上所述者,仅为本公开的示例性实施例,不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰,皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后,将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本公开的范围和精神由权利要求限定。仅为本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何工艺上的限制,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明实验工艺范围内,依据本发明的制备技术实质对以上实施例所作的任何非本质修改或等同变化,均仍属于本发明权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将碳纳米管按质量体积比为1~2mg/mL加入到质量浓度为1.0~1.2g/mL的聚乙二醇溶液中,超声振荡混合;
S2:向超声混合过的混合液中边搅拌边滴加氯化钠溶液,控制所述混合液的温度和搅拌速度使聚乙二醇颗粒析出并包覆在碳纳米管表面,直至出现固体沉降颗粒;
S3:将所述固体沉降颗粒从所述混合液中过滤分离,并烘干干燥得到碳纳米管微胶囊;
S4:将碳纳米管微胶囊溶解于乙醚中,并与聚氨酯弹性体熔融液进行共混,对共混液进行浇注并冷却压缩得到聚氨酯复合膜。
2.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于,所述步骤S2中搅拌速度为1000-1200rpm,混合液温度为60-70℃。
3.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于,所述超声处理时间为10~12h。
4.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于,所述固体沉降颗粒烘干干燥时间为48~60h,温度为35~38℃。
5.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于所述氯化钠溶液的质量浓度20-25%。
6.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于,所述碳纳米管微胶囊与聚氨酯弹性体的质量比为3:2。
7.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于,所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
8.如权利要求1所述的利用碳纳米管介电微胶囊制备聚氨酯复合膜的方法,其特征在于步骤S3中采用减压抽滤装置进行过滤分离。
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