一種交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種介電彈性體材料,特別涉及一種交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]新型高性能電驅(qū)動材料可將電能轉(zhuǎn)化為機械能,在智能驅(qū)動及生物醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。與壓電陶瓷及記憶合金相比,電活性聚合物具有低成本、結(jié)構(gòu)易調(diào)控等優(yōu)勢,引起了特別關(guān)注。
[0003]介電彈性體是具有高介電常數(shù)(K)的彈性體材料,在介電彈性體膜上下表面涂覆電極并施加外電場后,會發(fā)生約10%?40%的形變而改變其形狀或體積,這個過程伴隨著應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生,從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能。介電彈性體具有機電轉(zhuǎn)換效率高、形變大及響應(yīng)迅速等優(yōu)異綜合性能,在驅(qū)動器、發(fā)電機及傳感器等方面有實際應(yīng)用。
[0004]對于介電彈性體來說,其電致形變大小正比于介電常數(shù)K及加在其上的電場強度的平方,因此,提高介電常數(shù)K及擊穿強度Eb這兩個指標(biāo)是改善介電彈性體執(zhí)行器效率的重要途徑。同時,材料的彈性模量Y也影響著電致形變的大小,通常彈性模量越小,材料發(fā)生形變所需的應(yīng)力就越小,所需的驅(qū)動電壓也就越低。因此,制備同時具備較高介電常數(shù)以及較低彈性模量的彈性體材料,是獲得性能優(yōu)異,即低驅(qū)動電壓、大電致形變特性的介電彈性體材料之關(guān)鍵所在。
[0005]聚偏氟乙烯系共聚物材料具有較高的介電常數(shù)值,然而其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高,彈性模量值也較大,因此直接作為介電彈性體使用時不能獲得較大的電致形變。如何對其進行復(fù)合改性是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。一般的,通過添加無機高介陶瓷到聚合物基體中可提高復(fù)合材料的K值,但是由于復(fù)合材料的彈性模量也會同時增加,因此驅(qū)動形變增加不明顯;其次,通過添加有機導(dǎo)電體可大幅提高復(fù)合材料的K值,然而導(dǎo)電率的增大使得復(fù)合材料的Eb大大降低,同時漏導(dǎo)損耗增加,導(dǎo)致形變增加亦不明顯。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了克服現(xiàn)有介電彈性體材料驅(qū)動電壓較高、電致形變較小的不足,本發(fā)明的目的是提供了一種交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法,該方法采用自行合成的含有內(nèi)雙鍵的聚偏氟乙烯系共聚物為基體,功能交聯(lián)劑分子為交聯(lián)單元,可以獲得低驅(qū)動電壓、大電致形變的全有機介電彈性體復(fù)合材料;本發(fā)明涉及到的介電彈性體材料在低電場下具有較大形變/位移(約30-300%),有望應(yīng)用于制備人工肌肉、微流控栗/閥、揚聲器及靈敏觸覺顯示等機-電轉(zhuǎn)換驅(qū)動器件。
[0007]為了達到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案及途徑為:
[0008]—種交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料,其原料組分按質(zhì)量份數(shù)計算包括:60-90份的氟聚合物基體、8-40份重量的功能交聯(lián)劑和1-3份的催化劑。
[0009]所述氟聚合物基體為聚偏氟乙烯(PVDF)系共聚物,包括由但不限于偏氟乙烯(VDF)及三氟乙烯(TrFE)、三氟氯乙烯(CTFE)、四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)、全氟乙丙烯(FEP)、六氟異丁烯(TrFE)、全氟代烷基乙烯基醚(TrFE)單體,其中的兩種或兩種以上單體通過共聚反應(yīng)制得;共聚反應(yīng)制得的共聚物包括聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)共聚物、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯)共聚物、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物等;氟聚合物基體亦可由上述共聚物中的一種或一種以上聚合物組成。
[00?0]所述功能交聯(lián)劑分子,其分子量在100?100000之間,交聯(lián)劑分子主鏈為柔性低模量結(jié)構(gòu),分子化學(xué)結(jié)構(gòu)包括但不限于聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚異戊二烯、聚氨酯、聚醚類聚合物及其衍生物。交聯(lián)劑分子亦包含可與氟聚合物基體中的內(nèi)雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)的極性基團,包括但不限于疏基、氣基、竣基等。
[0011]所述催化劑,是含有活性羥基的小分子或大分子,用于加速功能交聯(lián)劑分子與氟聚合物基體之間的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),典型的包括但不限于水、乙醇、異丙醇等含羥基化合物中的一種或幾種。
[0012]—種交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料的制備方法,包括下述步驟:
[0013](a)向燒瓶中加入50-120份溶劑,溶劑為強極性溶劑,包括乙酸乙酯或四氫呋喃或二甲基甲酰胺,然后加入60-90份含內(nèi)雙鍵的聚偏氟乙烯系共聚物,強力攪拌30min;
[0014](b)待(a)溶解后,強力攪拌下逐滴加入8-40份功能交聯(lián)劑分子,室溫下繼續(xù)攪拌20-30min ;然后逐漸滴入1_3份催化劑,40-60 °C下攪拌反應(yīng)8_10h ;
[0015](C)待(b)降至室溫后,將反應(yīng)溶液過濾,隨即在玻璃平板上流延,玻璃平板置于均勻熱環(huán)境中,逐步升溫至60-100°C,干燥4_8h除去溶劑,玻璃平板上即制得交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料膜;
[0016]所述的加入量份數(shù)均為質(zhì)量份數(shù)。
[0017]本發(fā)明的有益結(jié)果是:由于采用具有功能基團的柔性低模量交聯(lián)劑分子與含內(nèi)雙鍵的高介電常數(shù)氟共聚物進行交聯(lián)反應(yīng),制備的復(fù)合材料不僅受益于引入極性的功能基團(如氨基、羧基、巰基等)使得氟聚合物K值得到提高,而且由于柔性鏈的間隔作用,使得復(fù)合材料的彈性模量值大大降低,電致形變/位移值大大提高。
【附圖說明】
[0018]圖1是以氨基硅氧烷功能交聯(lián)劑分子為例,制備交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料的過程示意圖,包括含內(nèi)雙鍵氟共聚物的合成及含氨基功能交聯(lián)劑分子加成交聯(lián)含內(nèi)雙鍵氟共聚物的化學(xué)過程。
[0019]圖2是實施例1中介電彈性體復(fù)合材料的機-電轉(zhuǎn)換性能表。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作詳細說明。
[0021 ] 實施例一
[0022]本實施例其原料組分按質(zhì)量份數(shù)計算包括90份的氟聚合物基體、9份重量的功能交聯(lián)劑和I份的催化劑。
[0023]本實施例制備方法,包括下述步驟:向200ml的燒瓶中加入10ml乙酸乙酯,然后加入9g含內(nèi)雙鍵的聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯),強力攪拌30min;待溶解后,強力攪拌下逐滴加入0.9g氨基硅氧烷功能交聯(lián)劑分子(分子量約為2000),室溫下繼續(xù)攪拌30min;然后逐漸滴Λ0.1g催化劑水,60 V下攪拌反應(yīng)Sh;待降至室溫后,將反應(yīng)溶液過濾,隨即在玻璃平板上流延,玻璃平板置于均勻熱環(huán)境中,逐步升溫至80°C,干燥Sh除去溶劑。玻璃平板上即制得氨基硅氧烷加成交聯(lián)氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料膜。
[0024]經(jīng)測試,所制交聯(lián)型氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料膜的介電常數(shù)值為16,形變值比未交聯(lián)氟聚合物提高約300%。圖2列出了不同含量氨基硅氧烷分子交聯(lián)氟聚合物基介電彈性體復(fù)合材料的