【摘 要】
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介电弹性体(DE)是一种典型的智能材料,其在外加电场激励下可发生大形变,从而实现电能和机械能的相互转换。因其具有形变尺寸大、响应速度快、能量密度高、质量轻、成本低等特点,故在智能机器人、人工肌肉、驱动器、传感与发电等领域具有巨大的应用潜力。在实际应用中,为了提高DE材料的机电转化效率,通过增大驱动电压是最直接有效的方法,但该法亦容易导致基体材料的电击穿。因此,从DE材料的基体选择及网络结构调控出发
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介电弹性体(DE)是一种典型的智能材料,其在外加电场激励下可发生大形变,从而实现电能和机械能的相互转换。因其具有形变尺寸大、响应速度快、能量密度高、质量轻、成本低等特点,故在智能机器人、人工肌肉、驱动器、传感与发电等领域具有巨大的应用潜力。在实际应用中,为了提高DE材料的机电转化效率,通过增大驱动电压是最直接有效的方法,但该法亦容易导致基体材料的电击穿。因此,从DE材料的基体选择及网络结构调控出发,赋予其高介电常数、低电导率、低力学模量及滞后等特性,是提高DE材料机电转化效率并实现应用的关键。基于此,本文以柔性好、力学滞后低的商品化聚(1,4-丁二烯)橡胶(BR)为基体,通过填充高介电溶剂和极性聚合物共混两种制备方法,在保留传统二烯烃弹性体低电导率、力学模量及滞后的同时,赋予其高介电常数。主要研究内容如下:(1)采用溶液氧化断链法,将BR环氧化并断链,制备了端醛基聚丁二烯(APB)。以聚醚胺(D230)为增容剂,碳酸丙烯酯(PC)为高介电溶剂,多官能醛基化合物为交联剂,通过一步醛胺缩合反应,在实现APB基体分子扩链交联的同时,提高其网络分子链极性,进而改善橡胶基体与高介电溶剂间的相容性。系统研究了APB分子量、增容剂D230及高介电溶剂PC含量对所制备弹性体力学性能及介电性能等的影响。结果表明,随着APB分子量的降低,所制备弹性体的交联密度增大,因此其杨氏模量增大,同时断裂伸长率降低。而通过增大基体网络中增容剂和高介电溶剂的含量,其网络分子链的极性显著增大,从而有效提高所制备弹性体的介电常数及力学性能。以分子量为~18000 g/mol的APB为基体,25 phr D230作增容剂,通过添加60 phr PC,所制备样品的拉伸强度从3.4 MPa增至9.2 MPa,提高近两倍,同时杨氏模量略有下降;介电常数则从2.8提高至4.6,增幅达63%,同时介电损耗及电导率仅略微提高。上述结果归因于增容剂及高介电溶剂含量的增加,显著提高了网络分子链间的相互作用,从而有效改善所制备弹性体的力学性能及介电性能。(2)以BR为基体材料,丁腈橡胶(NBR)为增容剂,邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)为极性单体,经溶液共混后,添加过氧化二异丙苯(DCP)实现弹性体交联。由于NBR及DAP在DCP作用下可与BR基体共交联,从而有效提高网络分子链极性。系统研究NBR、DAP及DCP用量对所制备弹性体力学性能及介电性能等的影响。结果表明,随着NBR添加量的增大,所制备弹性体的力学性能并未有明显改变,而其介电常数则有效提高。虽然材料的电导率亦有所增大,但仍保持在较低水平(~10-14S/cm量级)。而由于DAP在过氧化物作用下具有自聚成环效应,所形成的低分子量环化物具有增塑效应,因此其添加量的增加会促使所制备弹性体的断裂伸长率增大,同时降低其杨氏模量和最终强度,但上述样品均具有优异的弹性,呈现较低的力学滞后。与此同时,DAP的引入亦能提高弹性体的网络极性,其中添加40 phr DAP的样品介电常数可达4.5,而电导率仅提高一个数量级(~10-13S/cm量级)。此外,通过改变交联剂的含量,可实现材料力学性能的调控,而其介电性能则未受影响。可见,通过调节BR基体中各组分的配比及交联密度,可实现所制备弹性体的力学及介电性能的有效调控,在保证网络弹性的同时,提高其介电性能。
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