一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法技术

本发明专利技术公开一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，所述弹性体材料是将15

【技术实现步骤摘要】
一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法


[0001]本专利技术属于介电弹性体材料领域，具体涉及一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，可应用于电致驱动器领域。

技术介绍

[0002]介电弹性体由于具有响应迅速、机械能量密度高、感应位移大、机电转化效率高等特点，在驱动器、传感器、人工肌肉和能量收集等方面具有广阔的应用前景。聚氨酯和硅树脂、丙烯酸树脂并称为三大介电弹性体，其中聚氨酯弹性体具有结构简单可控、易加工、介电常数和击穿强度高等优势。但是，其内部丰富的氢键导致材料本身模量偏高，如何在低电压下实现大的驱动应变成为聚氨酯弹性体的研究瓶颈。
[0003]从驱动机理出发，由于聚氨酯弹性体兼具麦克斯韦应力和电致伸缩效应，因此其有较大的潜力可以获得高电致应变。前期研究表明，在热塑性聚氨酯弹性体的驱动过程中，电致伸缩效应的贡献在整个机电耦合作用中占60％以上，且依赖于聚氨酯的微相分离结构。此外，在低电场下，其驱动应变由电致伸缩效应主导。由此，探究提高聚氨酯弹性体电致伸缩效应的有效手段可以达到提高驱动应变的目的。
[0004]针对聚氨酯弹性体的微相分离结构，当前的专利技术手段主要通过改变硬软段的结构和比例进行调控，从而优化各类性能。本专利技术从控制弹性体分子结构和成型方法出发，获得具有优化微相分离结构的聚氨酯弹性体材料，目前有关方向的专利并不多见，而利用分子结构和成型方法提高聚氨酯电致驱动性能的专利更是未见报道。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的在于探寻一种具有高电致应变的聚氨酯弹性体及其成型方法。通过在聚氨酯弹性体主链中引入二硫化物形成动态二硫键，降低了聚氨酯弹性体的模量，并同时结合模压成型工艺获得优化的微相分离结构。由于电致伸缩效应在整个机电耦合作用中所占比例上升，弹性体薄膜用于电致驱动器时具有更出色的电致应变。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，主要原料及具体制备步骤为：
[0008](1)首先将15
‑
35摩尔份双官能度二元醇和50摩尔份二异氰酸酯在良溶剂中混合并搅拌，加入少量二月桂酸二丁基锡，然后在氮气气氛、40
‑
80℃条件下反应2
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8h得到预聚物溶液，待预聚物冷却至室温后，逐滴加入15
‑
35摩尔份二硫扩链剂，同时升温至40
‑
60℃，继续反应4
‑
12h，最后在真空干燥箱中挥干溶剂后得到聚氨酯弹性体。
[0009](2)聚氨酯弹性体在压片机中模压成型得到高电致应变的聚氨酯弹性体薄膜样品，模压成型的工艺条件为：压力5
‑
20MPa；温度80
‑
150℃；预热时间5
‑
20min；模压时间3
‑
15min；冷却速率30
‑
100℃/min；排气5
‑
10次。
[0010]优选地，所述双官能度二元醇至少选自聚四亚甲基醚二醇、聚己内酯二醇、聚乙二醇、端羟基聚丁二烯。
[0011]优选地，所述二异氰酸酯至少选自异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、4,4'
‑
亚甲基双(异氰酸苯酯)、二环己甲烷4,4'
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二异氰酸酯。
[0012]优选地，所述二硫扩链剂至少选自胱胺、双(4
‑
羟苯基)二硫醚、双(2
‑
羟乙基)二硫化物、4,4'
‑
二氨基二苯二硫醚。
[0013]优选地，所述步骤(1)中良溶剂至少选自四氢呋喃、二甲基甲酰胺/二甲基乙酰胺、二氯甲烷。
[0014]优选地，所述的聚氨酯弹性体薄膜，在1kHz下介电常数为8
‑
12，杨氏模量为1.2
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3.5MPa。
[0015]优选地，所述的聚氨酯弹性体薄膜，经两侧涂覆柔性碳润滑脂后作为电致驱动器，其能够在50MV/m电场下产生14％
‑
25％的面积应变，且其中电致伸缩效应贡献比例为64％
‑
89％。
[0016]相比于现有技术，本专利技术产生的有益效果主要体现在以下几个方面：
[0017](1)本专利技术通过二硫扩链剂将二硫键引入到聚氨酯主链中，利用二硫动态特性降低聚氨酯弹性体模量，与普通聚氨酯相比，含二硫键的超分子聚氨酯弹性体表现出柔软、超拉伸的力学特点，适合应用于介电弹性体领域；
[0018](2)在二硫动态键的基础上，结合模压成型工艺对聚氨酯微相分离结构进行优化。相较于目前大多数溶液成型的聚氨酯弹性体，该弹性体不仅模量低，而且电致伸缩效应在整个机电耦合作用中所占比例明显上升，弹性体的电致应变得到大幅度提升。由于出色的电致驱动性能，使得其在驱动器和柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。
具体实施方式
[0019]下面给出具体实施例以对本专利技术的技术方案作进一步说明。但是值得说明的是以下实施例不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本专利技术的内容，对本专利技术作一些非本质性的改进和调整仍属于本专利技术的保护范围。
[0020]实施例1
[0021]本实施例提供的一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，包括以下步骤：
[0022](1)首先将15摩尔份聚四亚甲基醚二醇和50摩尔份异佛尔酮二异氰酸酯在二甲基乙酰胺中混合并搅拌，加入少量二月桂酸二丁基锡，然后在氮气气氛、60℃条件下反应3h得到预聚物溶液，待预聚物冷却至室温后，逐滴加入35摩尔份胱胺，同时升温至40℃，继续反应6h，最后在真空干燥箱中挥干溶剂后得到聚氨酯弹性体。
[0023](2)聚氨酯弹性体在压片机中模压成型得到高电致应变的聚氨酯弹性体薄膜样品，模压成型的工艺条件为：压力15MPa；温度150℃；预热时间15min；模压时间10min；冷却速率100℃/min；排气8次。
[0024]如表1所示，制得的弹性体薄膜材料在1kHz下介电常数为11，杨氏模量为2.8MPa。在弹性体薄膜两侧涂覆柔性碳润滑脂用于电致驱动器，其在50MV/m电场下能够产生15％的面积应变，其中电致伸缩效应贡献比例达到72％。
[0025]实施例2
[0026]本实施例提供的一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，包括以下步骤：
[0027](1)首先将25摩尔份聚四亚甲基醚二醇和50摩尔份异佛尔酮二异氰酸酯在二甲基甲酰胺中混合并搅拌，加入少量二月桂酸二丁基锡，然后在氮气气氛、70℃条件下反应2h得到预聚物溶液，待预聚物冷却至室温后，逐滴加入25摩尔份胱胺，同时升温至40℃，继续反应4h，最后在真空干燥箱中挥干溶剂后得到聚氨酯弹性体。
[0028](2)聚氨酯弹性体在压片机中模压成型得到高电致应变的聚氨酯弹性体薄膜样品，模压成型的工艺条件为：压力10MPa；温度120℃；预热时间10min；模压时间8mi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，其特征在于，主要原料及具体制备步骤为：(1)首先将15
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35摩尔份双官能度二元醇和50摩尔份二异氰酸酯在良溶剂中混合并搅拌，加入少量二月桂酸二丁基锡，然后在氮气气氛、40
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80℃条件下反应2
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8h得到预聚物溶液，待预聚物冷却至室温后，逐滴加入15
‑
35摩尔份二硫扩链剂，同时升温至40
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60℃，继续反应4
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12h，最后在真空干燥箱中挥干溶剂后得到聚氨酯弹性体；(2)聚氨酯弹性体在压片机中模压成型得到高电致应变的聚氨酯弹性体薄膜样品，模压成型的工艺条件为：压力5
‑
20MPa；温度80
‑
150℃；预热时间5
‑
20min；模压时间3
‑
15min；冷却速率30
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100℃/min；排气5
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10次。2.根据权利要求1所述的高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，其特征在于，所述双官能度二元醇至少选自聚四亚甲基醚二醇、聚己内酯二醇、聚乙二醇、端羟基聚丁二烯。3.根据权利要求1所述的高电致应变聚氨酯弹性体及其成型方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷军，聂闰盼，李忠明，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：