一种硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料，具体涉及具有高介电常数、低介电损耗以及低杨氏模量的硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料及其制备方法。本发明专利技术提供一种硅橡胶基介电弹性体复合材料，其原料为：聚二甲基硅氧烷、固化剂、聚乙二醇和导电填料，各原料的配比为：聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～40：1，聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的质量比为17：10～88：1，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/固化剂总质量的质量百分比大于0且小于等于2.7％；并且，所述复合材料具有均匀的微孔结构，导电填料选择性分布在聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的界面处。本发明专利技术所得硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料具有高介电常数、低介电损耗以及低杨氏模量的特点。

Silicone rubber porous dielectric elastomer composite material and preparation method thereof

The invention relates to a silicon rubber based porous dielectric elastomer composite material, in particular to a high dielectric constant, low dielectric loss and low modulus silicone rubber based porous dielectric elastomer composite material and preparation method thereof. The invention provides a silicon rubber based dielectric elastomer composite material, the raw materials are: Poly two methyl siloxane, curing agent, polyethylene glycol and conductive filler, the raw material ratio: two polydimethylsiloxane and curing agent mass ratio of 5:1 to 40:1, the quality of two polydimethylsiloxane and polyethylene glycol is 17:10 to 88:1, the conductive filler for two Polydimethylsiloxane / PEG / mass percentage of the total mass of the curing agent is greater than 0 and less than or equal to 2.7%; and the composite has a uniform microporous structure, conductive filler, selective distribution at the interface between poly two methyl siloxane and polyethylene glycol. The silicone rubber porous dielectric elastomer composite material obtained by the invention has the characteristics of high dielectric constant, low dielectric loss and low young modulus.

【技术实现步骤摘要】
一种硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料及其制备方法
本专利技术涉及硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料，具体涉及具有高介电常数、低介电损耗以及低杨氏模量的硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料及其制备方法。
技术介绍
在科技发展迅猛的当今时代，以聚合物基介电弹性体为代表的智能材料已经越来越接近我们的生活。介电弹性体可耦合电场和力场，即在介电弹性体薄膜两侧涂覆柔性电极后，当在两个电极间施加电压差，介电弹性体薄膜会在厚度上收缩和面积上伸展，从而将电能转变为机械能。介电弹性体具有柔性好、加工性优、电机驱动形变大等特点，在人工肌肉、微型机器人、平面扩音器、智能仿生、航空航天、能量收集装置、传感装置等领域应用前景广阔；尤其硅橡胶基介电弹性体是最具潜力的理想介电弹性体驱动材料。介电弹性体驱动器的工作原理可用公式表示：s＝-p/Y＝-ε0εrE2/Y，式中：E为施加电场强度，εo＝8.854×10-12F·m-1是真空介电常数，εr是弹性体薄膜的相对介电常数，s是弹性体厚度方向的形变，Y是其杨氏模量(PelrineR,KornbluhR,PeiQ,etal.High-speedelectricallyactuatedelastomerswithstraingreaterthan100％[J].Science,2000,287(5454):836-839.)。由此可见介电弹性体的电机械响应能力与该材料的相对介电常数和场强的平方成正比，与杨氏模量成反比。目前，为了获得更大的电致形变，很多研究者通过向弹性体中添加高介电填料(无机陶瓷填料和导电粒子)的方式来提高介电弹性体的介电常数。如，YanjuLiu等在“Dielectricelastomerfilmactuators:characterization,experimentandanalysis[J]”(SmartMaterialsandStructures,2009,18(9):095024)一文中介绍了以硅橡胶为基体材料，以介电常数超过3000的钛酸钡为填料制备出介电弹性体复合材料。但由于陶瓷填料的硬度较大，所得复合材料的介电常数随着填料用量的增加而上升的同时模量也大幅上升，使其需要在很高的电压下才能产生形变；而且大量的钛酸钡与硅橡胶基体的相容性差，难以均匀分散，易引起局部电场过高，材料的击穿电压下降。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种高介电常数、低介电损耗以及低杨氏模量的硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料及其制备方法。本专利技术的技术方案：本专利技术提供了一种硅橡胶基介电弹性体复合材料，其原料为：聚二甲基硅氧烷、固化剂、聚乙二醇和导电填料，各原料的配比为：聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～40：1，聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的质量比为17：10～88：1，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/固化剂总质量的质量百分比大于0且小于等于2.7％；并且，所述复合材料具有均匀的微孔结构，导电填料选择性分布在聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的界面处。进一步，所述导电填料选自碳纳米管、炭黑、石墨或石墨烯；优选为碳纳米管。进一步，所述硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料，在1～105Hz范围内其介电常数为4.0～22.5，在1～104Hz范围内介电损耗为0.001～0.2，杨氏模量为900～1100kPa。进一步，所述硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料的孔隙率为5～45％，主要由体系中去离子水的体积分数决定；孔径为0.5～5μm。进一步，所述硅橡胶基介电弹性体复合材料中，所述导电填料的直径为5nm至40nm。进一步，所述硅橡胶基介电弹性体复合材料中，所述固化剂为聚二甲基硅氧烷用固化剂；优选为多烷氧基硅烷、多胺基硅烷或多酰胺基硅烷或含氢硅油中的至少一种。进一步，所述硅橡胶基介电弹性体复合材料中，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～15：1。进一步，所述硅橡胶基介电弹性体复合材料中，所述聚乙二醇的分子量为1000～30000g/mol。本专利技术还提供了上述硅橡胶基介电弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)导电填料与去离子水超声搅拌得初始悬浮液，再将聚乙二醇加入初始悬浮液中，超声搅拌后得到聚乙二醇/导电填料悬浮液；2)将步骤1)所得聚乙二醇/导电填料悬浮液混入已加固化剂的聚二甲基硅氧烷中，充分搅拌混合均匀得聚乙二醇/聚二甲基硅氧烷/固化剂/导电填料共混物；其中，导电填料分布在聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇两相交界处，去离子水由于表面张力的作用呈圆球状；3)将步骤2)所得聚乙二醇/聚二甲基硅氧烷/固化剂/导电填料共混物进行热固化，去离子水在聚二甲基硅氧烷热固化过程中蒸发后形成均匀微孔结构，制得硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料；其中，去离子水与聚乙二醇的质量比为1：1～9：1，聚二甲基硅氧烷和固化剂的整体质量与聚乙二醇和去离子水的整体质量的比例为1：1～9：1，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/去离子水/固化剂总质量的质量百分比大于0且小于等于1.5％。进一步，上述方法中，去离子水与聚乙二醇的质量比为7：3，聚二甲基硅氧烷和固化剂的整体质量与聚乙二醇和去离子水的整体质量的比例为7：3，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/去离子水/固化剂总质量的质量百分比为0.9wt％。上述方法中，步骤1)和步骤2)中搅拌时间均为30～60min；超声时间均为30～60min。上述方法中，聚二甲基硅氧烷在所述热固化的步骤中，在60～80℃的温度下固化150～200min。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术制备的高介电低模量多孔复合材料最显著的优点是：(a)导电填料选择性分散在聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的两相交界处，微孔之间的导电填料能形成多个微电容，因而使得材料具有较高的介电常数和低的介电损耗；(b)聚二甲基硅氧烷固化过程中体系中的去离子水蒸发后形成均匀微孔结构，使得材料具有较低的杨氏模量。(2)将聚乙二醇/去离子水/导电填料混合物混入已加入固化剂的聚二甲基硅氧烷中，导电填料能随着聚乙二醇较均匀地分散在基体中，一定程度上克服了导电填料在基体中分散不均匀的问题。(3)本专利技术的硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料制备方法简单，采用简单共混并固化即可制得。附图说明图1为实施例3所得PDMS/PEG@H2O@CNT多孔复合材料未刻蚀聚乙二醇的断面扫描电子显微镜图。图2为实施例3所得PDMS/PEG@H2O@CNT多孔复合材料已刻蚀聚乙二醇的断面扫描电子显微镜图。图3(a)和图3(b)分别为实施例4和实施例1所得PDMS/PEG@H2O@CNT多孔复合材料已刻蚀聚乙二醇的断面扫描电镜显微镜图，可表示孔的尺寸。图4示出了CNT质量分数对多孔复合材料介电常数的影响及介电常数对频率的依赖性。图5示出了CNT质量分数对多孔复合材料损耗正切值的影响及损耗正切值对频率的依赖性。图6示出了CNT质量分数对多孔复合材料杨氏模量的影响。具体实施方式本专利技术提供了一种硅橡胶基介电弹性体复合材料，其原料为：聚二甲基硅氧烷、固化剂、聚乙二醇和导电填料；各原料的配比为：聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～40：1，聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的质量比为17：10～88：1，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/固化剂总质量的质量百分比大于0且小于等于2.7％；并且，本文档来自技高网...

【技术保护点】
硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，其原料为：聚二甲基硅氧烷、固化剂、聚乙二醇和导电填料，各原料的配比为：聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～40：1，聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的质量比为17：10～88：1，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/固化剂总质量的质量百分比大于0且小于等于2.7％；并且，所述复合材料具有均匀的微孔结构，导电填料选择性分布在聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的界面处。

【技术特征摘要】
1.硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，其原料为：聚二甲基硅氧烷、固化剂、聚乙二醇和导电填料，各原料的配比为：聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～40：1，聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的质量比为17：10～88：1，导电填料占聚二甲基硅氧烷/聚乙二醇/固化剂总质量的质量百分比大于0且小于等于2.7％；并且，所述复合材料具有均匀的微孔结构，导电填料选择性分布在聚二甲基硅氧烷与聚乙二醇的界面处。2.根据权利要求1所述硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，所述导电填料选自碳纳米管、炭黑、石墨或石墨烯，导电填料的直径为5nm至40nm；优选为碳纳米管。3.根据权利要求1或2所述硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，所述硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料，在1～105Hz范围内其介电常数为4.0～22.5，在1～104Hz范围内介电损耗为0.001～0.2，杨氏模量为900～1100kPa。4.根据权利要求1～3任一项所述硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，所述硅橡胶基多孔介电弹性体复合材料的孔隙率为5～45％，孔径为0.5～5μm。5.根据权利要求1～4任一项所述硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，所述固化剂为聚二甲基硅氧烷用固化剂；优选为多烷氧基硅烷、多胺基硅烷或多酰胺基硅烷或含氢硅油中的至少一种。6.根据权利要求1～5任一项所述硅橡胶基介电弹性体复合材料，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为5：1～15：1。7.权利要求1～6任一项所述硅橡胶基介电弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正英，熊莲，郑少笛，杨伟，杨鸣波，谢邦互，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51