CN115160791B - 一种硅橡胶/核壳填料复合材料、介电弹性体及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅橡胶/核壳填料复合材料、介电弹性体及其应用。本发明的复合材料包括如下组分：(a)至少一种有机聚硅氧烷；(b)核壳填料；(c)助剂；所述助剂选自交联剂、阻聚剂和催化剂中的至少一种；所述核壳填料的核为核材料，所述核材料包括导电填料和/或无机填料；所述核壳填料的壳包括无机壳层。本发明通过向硅橡胶基体中加入核壳填料可以制备高介电常数低介电损耗高击穿电压强度的介电弹性体。本发明方法工艺简单，成本低廉，且可根据需要有效控制硅橡胶的性能，可促进介电弹性体的实际应用。
Description
技术领域
本发明属于介电弹性体材料领域，具体涉及一种利用核壳填料填充硅橡胶制备得到硅橡胶/核壳填料复合材料、介电弹性体及其制备方法和应用。
背景技术
所谓介电弹性体是一种电活性聚合物，能够在外界电场的刺激下发生形状的变化，实现电能和机械能的相互转换。相较于其他电活性聚合物，介电弹性体具有电致形变大、能量密度高、转换效率高、响应速度快等优点，可用于驱动器、发电器、感应器等领域。硅橡胶因优异耐高低温性能、化学稳定性和对湿度不敏感等特性而成为介电弹性体的理想基体材料。但是，硅橡胶材料本身的介电常数较低(<3，103Hz)，满足不了实际需要，因此需要加入填料来提高硅橡胶复合材料的介电常数。
中国专利申请201110351670.4公开了一种高介电硅橡胶及其制备方法，将陶瓷填料和导电半导体填料添加到硅橡胶中，介电常数有效提高，但填料添加导致材料机械性能变差，介电损耗增加，击穿电压强度降低。Mahyar(2018Smart Mater.Struct.27 085021)报道了在硅橡胶中加入低于渗流阈值的石墨烯填料可以极大地增强复合材料的介电常数，又不牺牲硅橡胶的弹性。但是，导电填料掺入硅橡胶由于漏电流的存在往往伴随着介电损耗的显著增加和击穿电压强度的降低。
发明内容
为改善现有技术问题，本发明的目的是提供一种硅胶/核壳填料复合材料、介电弹性体及其制备方法和应用。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种复合材料，所述复合材料包括如下组分：
(a)至少一种有机聚硅氧烷；(b)核壳填料；(c)助剂；所述助剂选自交联剂、阻聚剂和催化剂中的至少一种；
所述核壳填料的核为核材料，所述核材料包括导电填料和/或无机填料；所述核壳填料的壳包括无机壳层。
根据本发明，所述导电填料可选自金属颗粒、金属纤维、金属片、纳米碳材料中的任一种。
根据本发明，所述金属颗粒可选自铝、镍、铁、铜、金、银中的至少一种。
根据本发明，所述金属颗粒的粒径为10～500nm，优选为20～100nm、30～200nm，例如为50nm。
示例性地，所述金属颗粒选自粒径为30～200nm的金属铝粉，优选为50nm。
示例性地，所述金属颗粒选自粒径为20～100nm的金属银颗粒。
根据本发明，所述金属纤维可为银纳米线、铁纳米棒、铜纳米棒、铝纳米线中的至少一种。
根据本发明，所述金属纤维的直径为10～100nm，例如为20nm。
示例性地，所述银纳米线选自直径为20nm的银纳米线。
根据本发明，所述金属片可为纳米片状铝粉、纳米片状银粉、纳米片状钛粉中的至少一种。
根据本发明，所述金属片的厚度为50～500nm，例如为100nm；所述金属片的粒度为0.1～20μm，例如为3μm。
示例性地，所述纳米片状银粉厚度为100nm，粒度为3μm。
根据本发明，所述纳米碳材料可为碳纳米管、石墨烯、石墨炔中的至少一种，例如，可以是碳纳米管、石墨烯、石墨炔中的两种或三种的混合物。所述混合物中，各物质以任意比例混合均可。
示例性地，所述碳纳米管选自直径为10～50nm的多壁碳纳米管。
示例性地，所述石墨烯选自2～10层的多层石墨烯。
示例性地，所述石墨炔选自选自厚度为30-400nm的石墨炔薄膜。
根据本发明，所述无机填料可为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化铁、钛酸钡等填料中的至少一种。
优选地，所述无机填料均选自粉末状，粒径为1～100nm，例如为10～50nm、粒径30nm。
根据本发明，所述无机壳层为二氧化硅和二氧化钛、三氧化二铝等金属氧化物中的至少一种。
根据本发明，所述无机壳层的厚度为2～100nm，例如为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm。
根据本发明，所述无机壳层与无机填料不为同一种化合物。
根据本发明，所述核壳填料进一步可以被各种硅烷偶联剂表面处理。
根据本发明，所述核壳填料的制备方法包括如下步骤：
a)将核材料和溶剂混合，得到混合体系A，所述核材料具有如上文所述的含义；
b)将前驱体、催化剂和水分别加入混合体系A中，反应，制备得到所述核壳填料。
根据本发明，步骤a)中，所述混合是在搅拌和超声条件下进行的，所述搅拌和超声可选用本领域已知的方法进行。示例性地，所述搅拌例如为在室温下的机械搅拌或磁力搅拌，所述搅拌的时间为0.1-1小时，所述超声的例如在超声清洗机中完成的，所述超声的功率为100-300W，所述超声的时间为0.1-2小时。
根据本发明，步骤a)中，所述溶剂可为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、己烷、苯、丙酮、丁酮、环己酮、N,N-二甲基甲酰胺、二氧六环、乙酸乙酯、氯仿、四氢呋喃、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯和间二甲苯中的一种或几种。
根据本发明，步骤a)中，所述核材料和溶剂的质量体积比为(1～100)g:(100-1000)mL，例如为1g:100mL、1g:200mL、50g:200mL、10g:300mL、20g:400mL、30g:500mL、40g:600mL、50g:700mL、60g:800mL、70g:900mL、100g:1000mL。
根据本发明，步骤b)中，所述前驱体可为硅、钛、铝的金属醇盐、金属乙酰丙酮盐、金属有机酸盐、无机盐中的一种或几种，优选为金属醇盐。优选地，所述金属醇盐选自硅、钛、铝的金属醇盐中的至少一种。示例性地，所述前驱体可为Si(OC2H5)4、Ti(OC4H9)4和Al(O-iC3H7)3中的一种或几种。
根据本发明，步骤b)中，所述前驱体和步骤a)中所述核材料的质量比为0.1～10:1，例如为0.1:1、0.5:1、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1。
根据本发明，步骤b)中，所述催化剂可为盐酸、P-甲苯磺酸、乙酸、琥珀酸、马来酸、硼酸、硫酸、硝酸、醋酸、氨水、氢氧化钠、乙二胺、柠檬酸的任一种。
根据本发明，步骤b)中，所述催化剂的含量可调节混合体系A的PH值为3～10，例如为3、4、5、6、7、8、9、10。
根据本发明，步骤b)中，所述水和所述前驱体的摩尔比为4～60，例如为5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60。
根据本发明，步骤b)中，所述加入可为滴加，所述滴加的时间可为0.1～2h，例如为0.5h、1h、1.5h、2h。
根据本发明，步骤b)中，所述前驱体、催化剂和水可混合适量步骤a)中的溶剂加入。
根据本发明，步骤b)中，反应是在搅拌和超声条件下进行的，示例性地，所述搅拌可选用本领域已知的方法进行，例如为机械搅拌或磁力搅拌，所述超声的例如在超声清洗机中完成的，所述超声的功率为100-300W。
根据本发明，步骤b)中，所述反应的温度为5～80℃，所述反应的时间为1～6小时。
根据本发明，步骤b)中，反应结束后还包括减压过滤、真空干燥的步骤，例如减压过滤后在65-75℃真空干燥24h。
根据本发明，所述复合材料包括如下质量份数的各组分：
(a)至少一种有机聚硅氧烷，100份；(b)核壳填料，大于0且小于等于300份；(c)助剂，0.01-5份。
根据本发明，所述复合材料包括如下质量份数的各组分：
(a)至少一种有机聚硅氧烷，100份；(b)核壳填料，10-150份；(c)助剂，0.05-3份。
示例性地，所述核壳填料的添加份数为15份、30份、45份、50份、100份、150份。
根据本发明，以质量份数计，所述复合材料中进一步可以包括如下：二氧化硅填料，0-60份。
优选地，所述二氧化硅填料例如来自白炭黑。
根据本发明，所述有机聚硅氧烷选自含羟基的有机聚硅氧烷、含烯基的有机聚硅氧烷、含烷基的有机聚硅氧烷、含芳基的有机聚硅氧烷中的至少一种。示例性地，所述有机聚硅氧烷选自甲基聚硅氧烷、甲基乙基聚硅氧烷、二苯基聚硅氧烷、二甲基聚硅氧烷、甲基苯基聚硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷、二甲基乙烯基聚硅氧烷、甲基苯基乙烯基聚硅氧烷、甲基二苯基乙烯基聚硅氧烷中的一种或多种。
根据本发明，所述有机聚硅氧烷的分子量为1万～70万，例如为5万、10万、15万、20万、30万、40万、50万、60万、70万。
根据本发明，所述有机聚硅氧烷的端基选自端羟基、端烯基(如乙烯基)、端烷基(如甲基、乙基)或端芳基(如苯基)中的至少一种。
根据本发明，所述交联剂选自缩合型交联剂、加成型交联剂、自由基型交联剂中的至少一种。优选地，所述缩合型交联剂可为脱醇类交联剂、脱羟胺型交联剂、脱氢型交联剂或脱水型交联剂中的至少一种。具体的，所述脱醇类交联剂可为Si(OR)4或其部分水解物，其中R为Et、Pr、Bu等，例如为Si(OEt)4。具体的，所述脱羟胺型交联剂可为含2个或大于2个氨氧基(R2NO)的环状或线型低聚硅氧烷，例如为Et2NO(Me2SiO)nNet2，Me3SiO(Me2SiO)n[Me(Et2NO)SiO]mSiMe3[n＝0、1、2、…；m＝2、3、4、…]等。具体的，脱氢型交联剂可为含硅氢键的低聚硅氧烷，例如为RMe2SiO(Me2SiO)n(MeHSiO)mSiMe2R[R为Me、OH；n＝0、1、2…；m≥3]。具体的，脱水型交联剂可为多羟基硅氧烷，例如为由三甲基氯硅烷与四氯硅烷或四乙氧基硅烷共水解缩合制得的含Si-OH的MQ型硅氧烷。
优选地，所述加成型交联剂可为含SiH官能基的小分子或含多个SiH的聚硅氧烷。具体的，所述含SiH官能基的小分子可为Ph2SiH、PhSiH3、D4 H、PhMeSiH2中的一种或几种。具体的，所述含多个SiH的聚硅氧烷为含氢硅油，氢含量可为0.5％～1.6％，具体可为0.7％～1.4％，例如为0.7％、0.824％、1％、1.2％或1.4％。
优选地，所述自由基型交联剂可为过氧化二苯甲酰、二枯基过氧化物、2,4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷中的一种或多种。
根据本发明，所述催化剂选自缩合型催化剂、加成型催化剂中的至少一种。
优选地，所述缩合型催化剂可为有机锡、有机钛、胺类或铂化合物中的至少一种。
优选地，所述加成型催化剂可为含有Pt，Rh，Ru，Pd等的贵金属配合物和含有Ni，Co等的过渡金属配合物。具体的，所述贵金属配合物可为H2PtCl6、K2PtCl4、铂(0)-1,3-二乙烯-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(Karstedt催化剂)、Pt(C2H4)(PPh3)2、Rh(PPh3)3Cl、Ru3(CO)12和PdCl2中的任一种。具体的，所述过渡金属配合物可为Ni(Cp)2、Ni(PPh3)Cl和Co(H)(CO)4中的任一种。
根据本发明，所述阻聚剂可为含N、P、S的有机化合物、含炔基和/或多乙烯基的化合物中的一种或多种。具体的，所述含N、P、S的有机化合物可为氧化铵、三苯基膦、二甲亚砜和甲肼中的一种或多种。具体的，所述含炔基和/或多乙烯基的化合物可为四甲基四乙烯基环四硅氧烷、3-甲基-1-丁炔-3-醇、3-苯基-1-丁炔-3-醇、3-丙基-1-丁炔-3-醇、3-辛基-1-丁炔-3-醇、1-乙炔基环己醇和1-二甲基硅氧基-1-乙炔基-环己烷中的一种或多种。
根据本发明示例性的方案，当所述有机聚硅氧烷的端基为端羟基时，所述复合材料包括如下组分：
(a)至少一种有机聚硅氧烷；
(b)核壳填料；
(c)助剂；所述助剂选自缩合型交联剂和缩合型催化剂。
优选地，所述有机聚硅氧烷、缩合型交联剂和缩合型催化剂的质量比为100：(0.01～5)：(0.01～0.1)，采用的固化温度为20～65℃。
根据本发明示例性的方案，当所述有机聚硅氧烷的端基为端烯基时，所述复合材料包括如下组分：
(a)至少一种有机聚硅氧烷；
(b)核壳填料；
(c)助剂；所述助剂选自加成型交联剂、阻聚剂和加成型催化剂。
优选地，所述有机聚硅氧烷、加成型交联剂、阻聚剂和加成型催化剂的质量比为100：(0.01-5)：(0.01-0.5)：(0.01-0.1)，采用的固化温度为80-150℃。
根据本发明示例性的方案，当所述有机聚硅氧烷的端基为端烷基或端芳基时，所述复合材料包括如下组分：
(a)至少一种有机聚硅氧烷；
(b)核壳填料；
(c)助剂；所述助剂为自由基型交联剂。
优选地，所述有机聚硅氧烷和自由基型交联剂质量比为100：(0.01-5)，采用固化温度为150-250℃。
本发明还提供一种介电弹性体，其由上述复合材料制备得到。
根据本发明，所述介电弹性体的介电常数为2～25。
根据本发明，所述介电弹性体的介电损耗为1×10-4～1×10-1。
根据本发明，制备所述介电弹性体的方法可采用本领域公知的常规方法，例如具体步骤如下：将包括上述复合材料的原料经混炼、硫化处理，制备得到所述介电弹性体。
根据本发明，所述混炼是在三辊研磨机或双辊研磨机上进行的，混炼的目的是为了将原料分散均匀。优选地，所述混炼的温度为20℃～45℃，所述混炼的时间为0.2h～1h。
示例性地，当所述有机聚硅氧烷的端基为端烷基或端芳基时，所述硫化处理包括一段硫化和二段硫化。
优选地，所述一段硫化的温度为150℃～250℃，所述一段硫化的时间为3分钟～15分钟。
优选地，所述二段硫化的温度为180℃～250℃，所述二段硫化的时间为1小时～4小时。
本发明还提供上述介电弹性体的用途，其用于人工肌肉，触觉反馈器，传感器，发电等领域。
有益效果
与现有技术相比，本发明的介电弹性体介电常数高、介电损耗低、击穿电压强度高；本发明制备方法简单，成本低、易于工业化生产。
本发明通过向硅橡胶基体中加入核壳填料可以制备高介电常数低介电损耗高击穿电压强度的介电弹性体。本发明方法工艺简单，成本低廉，且可根据需要有效控制硅橡胶的性能，可促进介电弹性体的实际应用。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
下述实施例中使用德国Novocontrol Technologies GmbH&Co.KG公司生产的Concept-49/50型介电松弛谱仪，参照国家标准GB/T 1693-2007，测试室温下、10-2～106Hz频率范围内的介电常数和介电损耗。
下述实施例中，采用的甲基乙烯基硅橡胶生胶，Mn＝28万，该生胶为VMQ，其中，生胶的分子结构中，端基为甲基，侧基为二甲基，同时侧基含有0.05-0.5％的乙烯基。
实施例1、制备金属核壳填料和硅橡胶介电弹性体
一、制备金属核壳填料：
将50g纳米铝粉(粒径50nm)加入到200mL无水乙醇中，超声30min；将47g正硅酸乙酯、8ml氨水、112g水分别滴加到体系中，在60℃下搅拌反应4小时。然后减压过滤，将过滤后的物质在在65℃下真空干燥24h得到核壳填料，其中，壳为SiO2，核为Al，壳和核的质量比为25:100，记为Al@SiO2-25。
二、制备硅橡胶介电弹性体：
将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、45gAl@SiO2-25、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本实施例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
实施例2、制备金属核壳填料和硅橡胶介电弹性体
一、制备金属核壳填料：
将50g纳米铝粉(粒径50nm)加入到200mL无水乙醇中，超声30min；将94g正硅酸乙酯、8ml氨水、200g水分别滴加到体系中，在60℃下搅拌反应4小时。然后减压过滤，将过滤后的物质在在65℃下真空干燥24h得到核壳填料，其中，壳为SiO2，核为Al，壳和核的质量比为50:100，记为Al@SiO2-50。
二、制备硅橡胶介电弹性体：
将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、45gAl@SiO2-50、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本实施例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
实施例3、制备碳纳米管核壳填料和硅橡胶介电弹性体
一、制备碳纳米管核壳填料：
将50g碳纳米管(直径为10-50nm，长径比为1000)加入到200mL无水乙醇中，超声30min；将25g正硅酸乙酯、8ml氨水、56g水分别滴加到体系中，在60℃下搅拌反应4小时。然后减压过滤，将过滤后的物质在在65℃下真空干燥24h得到核壳填料，其中，壳为SiO2，核为碳纳米管(MWCNT)，壳和核的质量比为14:100，记为MWCNT@SiO2-1。
二、制备硅橡胶介电弹性体：
将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、4gMWCNT@SiO2-1、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本实施例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
实施例4、制备碳纳米管核壳填料和硅橡胶介电弹性体
一、制备碳纳米管核壳填料：
将50g碳纳米管(直径为10-50nm，长径比为1000)加入到200mL无水乙醇中，超声30min；将50g正硅酸乙酯、8ml氨水、90g水分别滴加到体系中，在60℃下搅拌反应4小时。然后减压过滤，将过滤后的物质在在65℃下真空干燥24h得到核壳填料，其中，壳为SiO2，核为碳纳米管(MWCNT)，壳和核的质量比为28:100，记为MWCNT@SiO2-2。
二、制备硅橡胶介电弹性体：
将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、4gMWCNT@SiO2-2、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本实施例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
实施例5、制备钛酸钡核壳填料和硅橡胶介电弹性体
一、制备钛酸钡核壳填料：
将50g纳米钛酸钡(粒径30nm)加入到200mL无水乙醇中，超声30min；将47g正硅酸乙酯、8ml氨水、112g水分别滴加到体系中，在60℃下搅拌反应4小时。然后减压过滤，将过滤后的物质在在65℃下真空干燥24h得到核壳填料，其中，壳为SiO2，核为钛酸钡(BT)，壳和核的质量比为25:100，记为BT@SiO2-25。
二、制备硅橡胶介电弹性体：
将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、45gBT@SiO2-25、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本实施例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
实施例6、制备钛酸钡核壳填料和硅橡胶介电弹性体
一、制备钛酸钡核壳填料：
将50g纳米钛酸钡(粒径30nm)加入到200mL无水乙醇中，超声30min；将94g正硅酸乙酯、8ml氨水、200g水分别滴加到体系中，在60℃下搅拌反应4小时。然后减压过滤，将过滤后的物质在在65℃下真空干燥24h得到核壳填料，其中，壳为SiO2，核为Al，壳和核的质量比为50:100，记为BT@SiO2-50。
二、制备硅橡胶介电弹性体：
将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、45gBT@SiO2-50、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本实施例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
对比例1、制备铝粉/硅橡胶介电弹性体
铝粉/硅橡胶介电弹性体的制备方法如下：将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、45g纳米铝粉(粒径50nm)、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本对比例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
对比例2、制备碳纳米管/硅橡胶介电弹性体
碳纳米管/硅橡胶介电弹性体的制备方法如下：将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、4g碳纳米管、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本对比例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
对比例3、制备钛酸钡/硅橡胶介电弹性体
钛酸钡/硅橡胶介电弹性体的制备方法如下：将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、45g钛酸钡(粒径50nm)、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本对比例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
对比例4
制备硅橡胶介电弹性体：将100g甲基乙烯基硅橡胶生胶(Mn＝28万)、310gAl@SiO2-25、0.8份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷加入到混炼机中，混炼5次，在硫化机上经过一段硫化(170℃*10min)、二段硫化(200℃*2h)后即得硅橡胶介电弹性体。
本对比例制备得到的硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据见表1。
表1硅橡胶介电弹性体的介电性能测试数据
| 试样 | 介电常数(103Hz) | 介电损耗(103Hz) | 击穿电压强度(kV/mm) |
| 实施例1 | 5.62 | 1.34×10-2 | 15.21 |
| 实施例2 | 5.26 | 8.74×10-3 | 16.94 |
| 实施例3 | 3.98 | 7.14×10-4 | 14.94 |
| 实施例4 | 3.65 | 5.21×10-4 | 15.98 |
| 实施例5 | 6.43 | 1.82×10-3 | 33.67 |
| 实施例6 | 6.28 | 4.67×10-3 | 36.42 |
| 对比例1 | 4.98 | 2.43×10-2 | 12.78 |
| 对比例2 | 4.06 | 5.82×10-3 | 10.76 |
| 对比例3 | 6.78 | 8.27×10-4 | 23.95 |
| 对比例4 | 25.43 | 1.23 | 5.34 |
由表1可见：本发明制备的硅橡胶介电弹性体的击穿电压强度比现有技术有明显提高，而介电损耗有明显降低，如实施例2与对比例1相比，介电常数从4.98提升到5.26，介电损耗反而从2.43×10-2降低到8.74×10-3，击穿电压强度从12.78kV/mm提高到16.94kV/mm。此结果表明，本发明将核壳填料以一定比例加入到硅橡胶中，能够得到一种高介电常数低介电损耗高击穿电压强度的硅橡胶介电弹性体。而当填充过多的核壳填料时，混炼比较困难，对硅橡胶介电弹性体的固化和力学性能都有很大影响，参见对比例4的测试结果。
以上对本发明示例性的实施方式进行了说明。但是，本申请的保护范围不拘囿于上述实施方式。本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括如下质量份数的各组分：
（a）至少一种有机聚硅氧烷，100份；（b）核壳填料，30-60份；（c）助剂，0.05-3份；所述助剂选自自由基型交联剂；
所述有机聚硅氧烷选自含烯基的有机聚硅氧烷；所述有机聚硅氧烷的端基选自端烯基；所述有机聚硅氧烷的分子量为1万～70万；
所述自由基型交联剂选自过氧化二苯甲酰、2,4-二氯过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷中的一种或多种；
所述核壳填料的核为核材料，所述核材料为导电填料；所述导电填料选自铝的金属颗粒、铝纳米线、纳米片状铝粉中的任一种；所述核壳填料的壳为无机壳层，所述无机壳层为二氧化硅，所述无机壳层的厚度为2～100nm；
所述铝的金属颗粒的粒径为10～500nm；所述铝纳米线的直径为10～100nm；所述纳米片状铝粉的厚度为50～500nm；所述纳米片状铝粉的粒度为0.1～20μm。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，以质量份数计，所述复合材料中进一步包括如下：二氧化硅填料，0-60份。
3.一种介电弹性体，其特征在于，所述介电弹性体由权利要求1或2所述的复合材料制备得到。
4.根据权利要求3所述的介电弹性体，其特征在于，所述介电弹性体的介电常数为2～25；
所述介电弹性体的介电损耗为1×10-4～1×10-1。
5.根据权利要求3所述的介电弹性体，其特征在于，所述介电弹性体的制备方法包括：将包括权利要求1或2所述的复合材料的原料经混炼、硫化处理，制备得到所述介电弹性体。
6.根据权利要求5所述的介电弹性体，其特征在于，所述混炼的温度为20℃～45℃，所述混炼的时间为0.2h～1h。
7.权利要求3-6任一项所述的介电弹性体的用途，其用于制备人工肌肉、触觉反馈器或传感器。
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| CN202210870329.8A CN115160791B (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 一种硅橡胶/核壳填料复合材料、介电弹性体及其应用 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2017070893A1 (zh) * | 2015-10-29 | 2017-05-04 | 国家纳米科学中心 | 一种陶瓷化硅橡胶、制备方法及用途 |
| CN111892820A (zh) * | 2019-05-05 | 2020-11-06 | 中国科学院化学研究所 | 一种高导电硅橡胶及其制备方法和用途 |
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| 功能核壳纳米颗粒/硅橡胶介电弹性体复合材料的制备及其电致驱动性能研究;高抒雁;《中国硕士学位论文全文数据库》;2.3节、2.3.4节、图2.1、图2.2和图2.3 * |
| 银纳米线核壳结构及其聚合物介电材料的制备及性能研究;周舟;中国硕士学位论文全文数据库;摘要 * |
| 高抒雁.功能核壳纳米颗粒/硅橡胶介电弹性体复合材料的制备及其电致驱动性能研究.《中国硕士学位论文全文数据库》.2021,2.3节、2.3.4节、图2.1、图2.2和图2.3. * |
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