一种聚磷腈介电弹性体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种聚磷腈介电弹性体材料及其制备方法，特别是通过用聚磷腈橡胶本征材料以及复合材料获得高介电常数、低模量及大电致形变且具有很宽使用温度范围(从玻璃化转变温度到分解温度)的介电弹性体材料及其制备方法。本发明专利技术通过采用不同含量的硫化剂，调整交联密度，同时添加高介电半导体材料，得到分散良好的复合材料。能够在较低填充量下提高橡胶的介电常数，没有明显提高橡胶的模量，而且保证了材料的击穿强度没有下降，从而能够产生较大的电致形变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚磷腈介电弹性体材料及其制备方法。特别是通过用聚磷腈橡胶本征材料以及复合材料获得高介电常数、低模量及大电致形变且具有很宽使用温度范围(从玻璃化转变温度到分解温度)的介电弹性体材料及其制备方法。
技术介绍
介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)是一种电活性聚合物。介电弹性体驱动器由夹在两个柔顺电极间的聚合物膜组成：在两个电极间施加电压差，引起聚合物膜在厚度上收缩和面积上伸展，从而将电能转变为机械能。因其形变的重复性好、应变响应时间快、驱动电压小、温度稳定性以及经时稳定性等优点，在光学、空间侦查、小型化技术、微型驱动器、人造肌肉和仿生机器人等领域具有广泛的应用。介电弹性体驱动器的工作原理可用公式：(式中:SZ为厚度方向的形变量；ε和ε0分别为介电弹性体的相对介电常数和真空介电常数(8.85×10-12F/m)；E为施加电场强度；Y为弹性体的杨氏模量)(Ron Pelrine,etal.High-speed electrically actuated elastomers with strains greater than 100％.Science,2000.287:p.836-839.)。降低材料的模量、提高介电常数和增大电场强度有利于提高电致形变。但过高的电场强度(弹性体需要很高的驱动电压，有时会高达150kv/mm)会限制材料的应用，特别是在生物领域的应用。同时，太低的模量也会在一定程度上限制材料的使用。目前，为了获得更大的电致形变，很多研究者是通过在弹性体添加高介电填料(无机陶瓷填料和导电填料)的方式，来提高介电弹性体的介电常数。但通过添加无机陶瓷提高介电常数，往往需要大量填充，导致材料的脆性增加、机械性能差、杨氏模量大幅提高，通常需要在较高的电场强度下，才能产生形变。而通过使用介电常数较大，模量较低的的本征材料，就可以大大提高材料的电致形变，而且避免了添加填料的过程，简化了制备过程中国专利申请“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和聚偏氟乙烯混合，得到的复合材料介电常数达到210，，但由于聚偏氟乙烯本身模量较大，同时大量Fe2O3的加入，使得复合材料的模量大幅增加，使得其需要在很高的电压下才能产生形变。而且大量的Fe2O3与聚偏氟乙烯基体的相容性差，难以分散均匀，容易引起局部电场过高，在较低的电场下破坏。中国专利申请“一种低含量碳纳米管的高介电弹性体复合材料及其制备方法”(专利申请号：201310134399.8)，采用碳纳米管CNT和橡胶基体制备复合材料，介电常数可以达到18396。但是由于介电常数的提高主要依赖于碳纳米管，其用量必须控制在一定范围内，否则当复合材料的导电率增大到大于复合材料的渗流阀值，复合材料发生绝缘体向导体的转变，引起材料内部产生热量较多，加剧材料的破坏，在较小的电压下击穿，无法产生大电致形变。
技术实现思路
本专利技术的目的是找到了一种聚磷腈介电弹性体材料。确定了分子量的范围，合适的侧基种类以及比例，通过改变交联密度获得高介电常数低模量材料，同时弹性模量较低，击穿强度较高，电致形变明显提高，多次重复使用后材料的稳定性能好。同时通过加入填料得到了表面不相互粘连，易加工成型，且性能稳定的介电弹性体复合材料本专利技术提供一种聚磷腈介电弹性体材料，其基本组成和质量份数为：橡胶基体：100质量份硫化剂：0.3-1质量份半导体填料：1-10质量份，也可不加入；所述的半导体填料为纳米二氧化钛，粒径为20nm～100nm。二氧化钛介电常数为114，是一种高介电常数的半导体材料。所述的硫化剂为过氧化物硫化剂：过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、2,5-二甲-2,5-二叔丁基过氧己烷和过氧化二异丙苯等。所述的橡胶基体为聚磷腈橡胶。聚磷腈橡胶的极性非常强，本身具有较高的介电常数，在频率1kHz下达到6-30，具体的数值和侧基有关而介电损耗仅为0.02，模量约为0.5MPa。另外聚磷腈橡胶具有良好的高低温性能，耐溶剂性优异，电绝缘性良好。本专利技术上述介电弹性体制备方法如下：室温下将100质量份橡胶在双辊开炼机上塑炼，包辊后逐渐加入0.3-1质量份的硫化剂，如需要然后再加入1-10质量份的半导体填料，混炼均匀后出片。混炼后停放7-9h后，在平板硫化机上进行平板硫化，制得聚磷腈介电弹性体材料。介电常数测定：采用美国Agilent E4980A阻抗仪测试。介电性能的测试选用阻抗测试方法。取厚度为1mm面积大于1cm×1cm的介电弹性体电极试片，用丙酮清洗表面。测试其在室温下，20～106的频率范围内的介电常数。依照HG4-834-81标准(化工行标)，采用静态重物法测其弹性模量。电致形变测定将复合材料上下表面喷上柔性电极，放置于鼓风烘箱中干燥4h，使得柔性电极固化。将智能直流高压发生器的正负极紧密接触柔性电极，通过控制箱以800V/s的速度升至设定电压，测定介电弹性体面积方向上的电致形变量。本专利技术与传统思路不同的是：选用介电常数较高的聚磷腈橡胶为基体，制备本征材料及复合材料得到介电常数较高，弹性模量较低，电击穿强度较大的大形变介电弹性体材料本专利技术得到的聚磷腈介电弹性体材料在较低40～100kV/mm的电场下，可以获得30～95％的电致形变，是一种先进的功能弹性体材料。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术做进一步说明，但不作为对本专利技术保护范围的限制。实施例1：以聚(苯氧,对乙基苯氧)磷腈橡胶为基体，其中两种侧基比例使用核磁共振氢谱测定，为47:53，分子量使用凝胶色谱仪测定，重均分子量为24.6万。聚磷腈橡胶本征介电弹性体制备方法：(1)将100质量份的聚磷腈橡胶在开炼机上室温塑炼，然后逐渐加入0.3质量份的硫化剂，割刀混炼，打三角包，使之混炼均匀出片。(2)混炼胶停放6h后，进行平板硫化：在上海橡胶机械制造生产的25吨电热平板硫化机上160℃硫化15min。得到交联的聚磷腈橡胶本征介电弹性体。测试结果见表1。实施例2：制备方法同实施例1，不同的是硫化剂的份数为0.5质量份。测试结果见表1。实施例3：制备方法同实施例1，不同的是硫化剂的份数为1.0质量份。测试结果见表1。实施例4：以聚(苯氧,对乙基苯氧)磷腈橡胶(同实施例1)为基体，采用二氧化钛作为填料聚磷腈橡胶基介电弹性体制备方法：(1)将100质量份的聚磷腈橡胶在开炼机上室温塑炼，然后逐渐加入0.5质量份的硫化剂，割刀混炼，打三角包，使之混炼均匀，再逐渐加入1质量份的二氧化钛(粒径25nm)，混炼均匀，出片。(2)混炼胶停放6h后，进行平板硫化：在上海橡胶机械制造生产的25吨电热平板硫化机上160℃硫化15min。得到交联的聚磷腈橡胶基介电弹性体。测试结果见表2。实施例5：制备方法同实施例4，不同的是二氧化钛的份数为5质量份。测试结果见表2。实施例6：制备方法同实施例4，不同的是二氧化钛的份数为10质量份。测试结果见表2。实施例7：以聚(丁香酚基，苯氧基，对乙基苯氧)磷腈橡胶为基体，其中两种侧基比例使用核磁共振氢谱测定，为2：45：53，分子量使用凝胶色谱仪测定，重均分子量为22.16万。聚磷腈橡胶本征介电弹性体制备方法：(1)将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚磷腈介电弹性体材料，其特征在于：组成和质量份数为：橡胶基体：100质量份硫化剂：0.3‑1质量份加入或者不加入半导体填料，当加入时为1‑10质量份所述的橡胶基体为聚磷腈橡胶；所述的半导体填料为纳米二氧化钛；所述的硫化剂为过氧化物交联体系。

【技术特征摘要】
1.一种聚磷腈介电弹性体材料，其特征在于：组成和质量份数为：橡胶基体：100质量份硫化剂：0.3-1质量份加入或者不加入半导体填料，当加入时为1-10质量份所述的橡胶基体为聚磷腈橡胶；所述的半导体填料为纳米二氧化钛；所述的硫化剂为过氧化物交联体系。2.根据权利要求1所述的聚磷腈介电弹性体材料，其特征在于硫化剂为：过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、2,5-二甲-2,5-二叔丁基过氧己烷或过氧化二异丙苯。3.根据权利要求1或2中所述的聚磷腈介电弹性复合材料，其特征是：所述半导体填料为金红石型二氧化钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立群，武文杰，吴战鹏，田明，宁南英，戈风行，张双琨，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11