專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料及其制法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)是涉及一種電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
電致伸縮聚合物是在電場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換的一種聚合物材料。電致伸縮聚合物由于其電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換中類(lèi)似肌肉的運(yùn)動(dòng)形式被稱(chēng)為人工肌肉材料。在美國(guó)專(zhuān)利US6911764和US6940211中，公開(kāi)了一種基于電致伸縮聚合物的電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)化的材料和器件，這種電致伸縮聚合物材料主要是以單組分的電致伸縮材料為基礎(chǔ)，其驅(qū)動(dòng)電壓較高、輸出應(yīng)力，使得其性能與肌肉相比還有較大的差距。2005年，在美國(guó)舉行的世界上首次人與基于電致伸縮聚合物的人工手臂的掰腕較量中，盡管人工手臂需要的啟動(dòng)電壓高達(dá)數(shù)千伏，但結(jié)果仍以人類(lèi)的勝利而告終?，F(xiàn)有的電致伸縮聚合物的電致伸縮性能還有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的電致伸縮聚合物的驅(qū)動(dòng)電壓較高和輸出應(yīng)力較小的缺陷，從而提供一種具有較低驅(qū)動(dòng)電壓和較大輸出應(yīng)力電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的用途。
本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，其為一包括電致伸縮聚合物、納米層狀無(wú)機(jī)材料、有機(jī)插層劑、交聯(lián)劑、催化劑、質(zhì)子化劑在內(nèi)的混合物在40～120℃固化得到的厚為10～1000微米的膜狀材料，然后經(jīng)過(guò)一維拉伸取向而得的膜層；在垂直于膜平面的方向施加10～100V/μm的電場(chǎng)，能在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的應(yīng)變。
本發(fā)明提供一種上述電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的制備方法，包括如下的步驟1)將電致伸縮聚合物100重量份，納米層狀無(wú)機(jī)材料0.1～20重量份，有機(jī)插層劑0.1～20重量份，交聯(lián)劑1～5重量份，催化劑0.01～0.2重量份，質(zhì)子化劑0.2～5重量份混和均勻后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃進(jìn)行1～10個(gè)小時(shí)固化反應(yīng)，得到膜厚為10～1000微米的復(fù)合材料膜層；所述的電致伸縮聚合物為硅橡膠或丙烯酸酯橡膠的低聚物；所述的納米層狀無(wú)機(jī)材料為50～1000納米尺寸的層狀絕緣體材料、層狀半導(dǎo)體材料或?qū)訝顚?dǎo)體材料；優(yōu)選的，所述的層狀絕緣材料為蒙脫土；所述的層狀半導(dǎo)體材料為二硫化鉬；所述的層狀導(dǎo)電材料為層狀石墨；所述的有機(jī)插層劑為有機(jī)胺，例如十六烷基三甲基溴化銨、十六胺或三乙醇胺；所述的交聯(lián)劑為正硅酸乙酯、苯甲酸胺或1，2-丙二胺；所述催化劑為二烷基二羧酸錫；所述的質(zhì)子化劑為鹽酸、磷酸或硫酸；2)將步驟1)得到的復(fù)合材料膜層沿一維方向拉伸取向，使復(fù)合材料膜層沿拉伸方向取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料。
本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料通過(guò)在電致伸縮聚合物中加入蒙脫土、二硫化鉬或?qū)訝钍?，大幅度地提高了?fù)合材料的力學(xué)性能和加工性能；由于取向?qū)訝顭o(wú)機(jī)材料產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，能顯著改善電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的電驅(qū)動(dòng)性能。在垂直于膜平面的方向施加10～100V/μm的電場(chǎng)，能在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的應(yīng)變；去掉電場(chǎng)后，形變能很快回復(fù)。即本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料具有在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，形變可逆的性質(zhì)。
本發(fā)明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，可以應(yīng)用于與人工肌肉相關(guān)的電驅(qū)動(dòng)、泵和傳感器領(lǐng)域，如將所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜或噴涂的方法在兩面涂覆碳基導(dǎo)電膠，得到兩面為導(dǎo)電膠、中間為本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的三明治結(jié)構(gòu)的人工肌肉材料，這種三明治結(jié)構(gòu)通過(guò)拉伸剪切作用使納米片層結(jié)構(gòu)在電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料中沿平行與拉伸方向取向。對(duì)三明治結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度10～100V/μm的電場(chǎng)，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的形變，從而輸出機(jī)械能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于其制備方便，并降低了驅(qū)動(dòng)電壓，在較低的驅(qū)動(dòng)電壓下可以較大輸出應(yīng)力。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將粒徑為1000納米的鈉基蒙脫土2g加入到38ml蒸餾水中，在60～70℃下劇烈攪拌，形成穩(wěn)定的懸浮體系。將0.2g十六烷基三甲基溴化胺、1g濃度為37％的濃鹽酸和10ml水混合，制得季胺鹽水溶液。劇烈攪拌的條件下，將上述季胺鹽水溶液緩慢滴加到蒙脫土的水溶液中。過(guò)濾，水洗濾渣至濾液無(wú)氯離子，將濾渣干燥研磨得到有機(jī)蒙脫土。將該有機(jī)蒙脫土強(qiáng)烈攪拌下分散在200克質(zhì)量濃度為20wt％聚甲氧基硅氧烷的四氫呋喃溶液中，加入交聯(lián)劑正硅酸乙酯0.4g，催化劑二烷基二羧酸錫0.01g，混和均勻。將此混和液在石英基底涂膜，在50～60℃條件下固化10小時(shí)，得到膜厚為10微米的納米復(fù)合材料膜。將該復(fù)合材料膜層進(jìn)行一維50～100％拉伸取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料I。
將該電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料I，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜或噴涂的方法在膜的兩面涂覆碳基導(dǎo)電膠，得到兩面為導(dǎo)電膠、中間為本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料I的三明治結(jié)構(gòu)的人工肌肉材料，這種三明治結(jié)構(gòu)通過(guò)拉伸使納米片層結(jié)構(gòu)在電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料中沿平行與拉伸方向取向。對(duì)三明治結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度10～100V/μm的電場(chǎng)，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～50％的形變，從而輸出機(jī)械能。從而可見(jiàn)，本發(fā)明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)電壓較低，輸出應(yīng)力較大。
實(shí)施例2將粒徑為1000納米的鈉基蒙脫土20g加入到38ml蒸餾水中，在60～70℃下劇烈攪拌，形成穩(wěn)定的懸浮體系。將20g三乙醇胺、5g濃度為98％的硫酸和10ml水混合，制得季胺鹽水溶液。劇烈攪拌的條件下，將上述季胺鹽水溶液緩慢滴加到蒙脫土的水溶液中。過(guò)濾，水洗濾渣至濾液無(wú)氯離子，將濾渣干燥研磨得到有機(jī)蒙脫土。將該有機(jī)蒙脫土強(qiáng)烈攪拌下分散在1000克質(zhì)量濃度為10wt％丙烯酸酯橡膠的四氫呋喃溶液中，加入交聯(lián)劑苯甲酸胺5g，催化劑二烷基二羧酸錫0.01g，混和均勻。將此混和液在石英基底涂膜，在室溫條件下溶劑緩慢揮發(fā)后，再加熱至70℃固化5小時(shí)，得到膜厚為1000微米的納米復(fù)合材料膜。將該復(fù)合材料膜層進(jìn)行一維50～200％拉伸取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料II。
將該電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料II，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜或噴涂的方法在膜的兩面涂覆碳基導(dǎo)電膠，得到兩面為導(dǎo)電膠、中間為本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料II的三明治結(jié)構(gòu)的人工肌肉材料，這種三明治結(jié)構(gòu)通過(guò)拉伸剪切作用使納米片層結(jié)構(gòu)在電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料中沿平行與拉伸方向取向。對(duì)三明治結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度10～100V/μm的電場(chǎng)，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的形變，從而輸出機(jī)械能。
實(shí)施例3將2.0克二硫化鉬中在氬氣保護(hù)的條件下加入20ml正丁基鋰的四氫呋喃溶液中，攪拌1小時(shí)后滴加500ml去離子水中。過(guò)濾，將濾渣干燥研磨得到有機(jī)層狀二硫化鉬。將該有機(jī)蒙脫土強(qiáng)烈攪拌下分散在200克質(zhì)量濃度為20wt％聚甲氧基硅氧烷的四氫呋喃溶液中，加入交聯(lián)劑正硅酸乙酯0.4g，催化劑二烷基二羧酸錫0.01g，混和均勻。將此混和液在石英基底涂膜，在50～60℃條件下固化10小時(shí)，得到膜厚為10微米的納米復(fù)合材料膜。將該復(fù)合材料膜層進(jìn)行一維50～100％拉伸取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料III。
將該電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料III，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜或噴涂的方法在膜的兩面涂覆碳基導(dǎo)電膠，得到兩面為導(dǎo)電膠、中間為本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料III的三明治結(jié)構(gòu)的人工肌肉材料，這種三明治結(jié)構(gòu)通過(guò)拉伸使納米片層結(jié)構(gòu)在電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料中沿平行與拉伸方向取向。對(duì)三明治結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度10～50V/μm的電場(chǎng)，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～50％的形變，從而輸出機(jī)械能。
實(shí)施例4將2.0克層狀石墨材料加入20ml濃硫酸中，超聲攪拌1小時(shí)后得到離子化的層狀石墨。將0.2g季胺鹽、1g濃度為37％的濃鹽酸和10ml水混合，制得季胺鹽水溶液。劇烈攪拌得條件下將層狀石墨的水溶液緩慢滴加季胺鹽的水溶液中。過(guò)濾，水洗至無(wú)氯離子和硫酸根離子，將濾渣干燥研磨得到有機(jī)蒙脫土。將該有機(jī)蒙脫土強(qiáng)烈攪拌下分散在1000克質(zhì)量濃度為10wt％丙烯酸酯橡膠的四氫呋喃溶液中，加入交聯(lián)劑1，2-丙二胺5g，催化劑二烷基二羧酸錫0.01g，混和均勻。將此混和液在石英基底涂膜，在室溫條件下溶劑緩慢揮發(fā)后，再加熱至70℃固化5小時(shí)，得到膜厚為1000微米的納米復(fù)合材料膜。將該復(fù)合材料膜層進(jìn)行一維50～200％拉伸取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料IV。
將該電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料IV，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜或噴涂的方法在膜的兩面涂覆碳基導(dǎo)電膠，得到兩面為導(dǎo)電膠、中間為本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料IV的三明治結(jié)構(gòu)的人工肌肉材料，這種三明治結(jié)構(gòu)通過(guò)拉伸剪切作用使納米片層結(jié)構(gòu)在電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料中沿平行與拉伸方向取向。對(duì)三明治結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度10～50V/μm的電場(chǎng)，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的形變，從而輸出機(jī)械能。
權(quán)利要求
1.一種電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，其為通過(guò)下述方法得到的1)將電致伸縮聚合物100重量份，納米層狀無(wú)機(jī)材料0.1～20重量份，有機(jī)插層劑0.1～20重量份，交聯(lián)劑1～5重量份，催化劑0.01～0.2重量份，質(zhì)子化劑0.2～5重量份混和均勻后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃進(jìn)行1～10個(gè)小時(shí)固化反應(yīng)，得到膜厚為10～1000微米的復(fù)合材料膜層；所述的電致伸縮聚合物為硅橡膠或丙烯酸酯橡膠的低聚物；所述的納米層狀無(wú)機(jī)材料為50～1000納米尺寸的層狀絕緣體材料、層狀半導(dǎo)體材料或?qū)訝顚?dǎo)體材料；所述的有機(jī)插層劑為有機(jī)胺；所述的交聯(lián)劑為正硅酸乙酯、苯甲酸胺或1，2-丙二胺；所述催化劑為二烷基二羧酸錫；所述的質(zhì)子化劑為鹽酸、磷酸或硫酸；2)將步驟1)得到的復(fù)合材料膜層沿一維方向拉伸取向，使復(fù)合材料膜層沿拉伸方向取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，其特征在于所述的層狀絕緣材料為蒙脫土；所述的層狀半導(dǎo)體材料為二硫化鉬；所述的層狀導(dǎo)電材料為層狀石墨。
3.如權(quán)利要求1所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，其特征在于所述的有機(jī)胺為十六烷基三甲基溴化胺、十六胺或三乙醇胺。
4.一種權(quán)利要求1所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的制備方法，包括如下的步驟1)將電致伸縮聚合物100重量份，納米層狀無(wú)機(jī)材料0.1～20重量份，有機(jī)插層劑0.1～20重量份，交聯(lián)劑1～5重量份，催化劑0.01～0.2重量份，質(zhì)子化劑0.2～5重量份混和均勻后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃進(jìn)行1～10個(gè)小時(shí)固化反應(yīng)，得到膜厚為10～1000微米的復(fù)合材料膜層；所述的電致伸縮聚合物為硅橡膠或丙烯酸酯橡膠的低聚物；所述的納米層狀無(wú)機(jī)材料為50～1000納米尺寸的層狀絕緣體材料、層狀半導(dǎo)體材料或?qū)訝顚?dǎo)體材料；所述的有機(jī)插層劑為有機(jī)胺；所述的交聯(lián)劑為正硅酸乙酯、苯甲酸胺或1，2-丙二胺；所述催化劑為二烷基二羧酸錫；所述的質(zhì)子化劑為鹽酸、磷酸或硫酸；2)將步驟1)得到的復(fù)合材料膜層沿一維方向拉伸取向，使復(fù)合材料膜層沿拉伸方向取向，得到本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料。
5.如權(quán)利要求4所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的層狀絕緣材料為蒙脫土；所述的層狀半導(dǎo)體材料為二硫化鉬；所述的層狀導(dǎo)電材料為層狀石墨。
6.如權(quán)利要求4所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)胺為十六烷基三甲基溴化胺、十六胺或三乙醇胺。
7.權(quán)利要求1～3之一所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在人工肌肉相關(guān)的電驅(qū)動(dòng)、泵和傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。
8.如權(quán)利要求7所述的用途，其特征在于將權(quán)利要求1～3之一所述的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜或噴涂的方法在兩面涂覆碳基導(dǎo)電膠，得到兩面為導(dǎo)電膠、中間為電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的三明治結(jié)構(gòu)的人工肌肉材料，這種三明治結(jié)構(gòu)通過(guò)拉伸剪切作用使納米片層結(jié)構(gòu)在電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料中沿平行與拉伸方向取向；對(duì)三明治結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度10～100V/μm的電場(chǎng)，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的形變，從而輸出機(jī)械能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料，其為將電致伸縮聚合物、納米層狀無(wú)機(jī)材料、有機(jī)插層劑、交聯(lián)劑、催化劑、質(zhì)子化劑混合后，在40～120℃固化，得到的厚為10～1000微米的膜狀材料進(jìn)一步拉伸取向而得到的。在垂直于該復(fù)合材料的膜平面的方向施加10～100V/μm的電場(chǎng)，能在垂直于電場(chǎng)和拉伸的方向產(chǎn)生1～100％的應(yīng)變；去掉電場(chǎng)后，形變能很快回復(fù)。即本發(fā)明的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料具有在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，形變可逆的性質(zhì)，可以應(yīng)用于與人工肌肉相關(guān)的電驅(qū)動(dòng)、泵和傳感器領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于其制備方便，并降低了驅(qū)動(dòng)電壓。
文檔編號(hào)C08J5/18GK101077930SQ200610080969
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者魏志祥, 江雷 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心