專利名稱：一種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電介質(zhì)功能材料領(lǐng)域，具體涉及ー種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
介電弾性體復(fù)合材料具有柔韌性好、驅(qū)動(dòng)形變大，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，能量密度高,加工成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。從電致伸縮材料角度其性能完全超越了以往的壓電陶瓷以及離子型電活性材料。隨著電子エ業(yè)向微型化方向發(fā)展，介電弾性體材料可以作為微型機(jī)器人，傳感器，驅(qū)動(dòng)器以及人工肌肉等極具應(yīng)用價(jià)值的高科技領(lǐng)域。特別硅橡膠基介電弾性體是最具潛力也是非常理想的介電弾性體驅(qū)動(dòng)材料。目前，提高聚合物基介電弾性體復(fù)合材料的電致驅(qū)動(dòng)敏感度的方法主要為填入大量的高介電陶瓷粒子或?qū)щ娏Ｗ又寥嵝缘木酆衔锘w中。如，F(xiàn).Carpi 等在“Stretching Dielectric Elastomer Performance”(《Science》，2010，330 (6012) :1759-1761) —文中詳細(xì)描述了介電弾性體領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展瓶頸。即現(xiàn)在需要從材料角度設(shè)計(jì)新材料降低驅(qū)動(dòng)電壓，也就是說盡可能地提高介電彈性體材料較低驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)下的較大驅(qū)動(dòng)壓及較大驅(qū)動(dòng)形變。又如，G. Gallone 等，在“Dielectric constant enhancement in a siliconeelastomer filled with lead magnesium niobate lead titanate，，(〈〈Materials Scienceand Engineering:C》，2007，27(1) :110-116) 一文中，詳細(xì)介紹了以硅橡膠為基體材料，以鈮鎂鈦酸鉛(PMN-PT)為填料制備出介電弾性體復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的介電常數(shù)在填料體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)達(dá)到20。提高了近185%。然而彈性模量在相同體積分?jǐn)?shù)下也提高118%。經(jīng)過計(jì)算其電致驅(qū)動(dòng)敏感度僅僅提高了 38. 4%。這雖然提高了驅(qū)動(dòng)壓，但對驅(qū)動(dòng)形變的提高很有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，而提供ー種具有基體相態(tài)穩(wěn)定、模量低、制備エ藝簡單的硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明提供ー種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料基體為硅橡膠(端羥基聚ニ甲基硅氧烷)、納米填料ニ氧化鈦，粒徑為40-60nm，與硅橡膠基體的質(zhì)量比為3:10，其特征在于，在所述基體中加入與基體材料完全相容的ニ甲基硅油作為增塑劑，與硅橡膠基體的質(zhì)量比為1:5_1:1。本發(fā)明還提供ー種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 I)將ニ氧化鈦納米粒子與溶劑四氫呋喃按Ig ニ氧化鈦約IOml四氫呋喃的比例混合后超聲振蕩27-30min，得到分散較好的懸濁液，將稱量好的聚合物基體加入到四氫呋喃中，于25-30°C攪拌40-45min，得到硅橡膠溶液；2)將增塑劑與四氫呋喃溶劑混合后，于25-30°C攪拌20-25min，得到增塑劑溶液；將ニ氧化鈦納米粒子懸浮液和硅橡膠溶液與增塑劑溶液混合后，于47-52°C攪拌120-125min得到復(fù)合材料初混物；3)將復(fù)合材料初混物在80-85°C的烘箱中烘3-4h，取出祛除溶劑的復(fù)合材料初混物加入與硅橡膠基體質(zhì)量比為3:100的正硅酸こ酯及與硅橡膠基體質(zhì)量比9:1000的二月
桂酸ニ丁基錫；
4)將共混物放置于模具中，室溫下15_16Mpa壓置ll_13h，得到高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料。進(jìn)ー步地，所述增塑劑為ニ甲基硅油。進(jìn)ー步地,所述ニ氧化鈦納米粒子的粒徑為40_60nm。本發(fā)明的關(guān)鍵在于交聯(lián)成型的壓カ和時(shí)間的選擇以及增塑劑的加入時(shí)間，選擇原則如下1)成型壓カ要能將材料在模腔內(nèi)壓制的嚴(yán)實(shí)，充滿模腔，沒有氣泡；2)成型時(shí)間ー定要保證未施加壓カ的邊緣料成為無粘性的固體，避免取樣時(shí)樣品與模具上的撕裂；3)增塑劑應(yīng)當(dāng)避免與硅橡膠基體同時(shí)加入。本發(fā)明具有以下效果I)本發(fā)明所提供的硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料同時(shí)具有較低的彈性模量和較高的電致驅(qū)動(dòng)敏感度。2)本發(fā)明提供的復(fù)合材料基體相態(tài)穩(wěn)定、制備エ藝簡單。


圖I、實(shí)施例1、2、3、4制備的復(fù)合材料室溫下的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。圖2、實(shí)施例1、2、3、4制備的復(fù)合材料室溫下的載荷-形變圖。圖3、實(shí)施例1、2、3、4制備的復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)敏感度示意圖。圖4、實(shí)施例1、2、3、4制備的復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)電場與電致伸縮形變關(guān)系圖。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例II)將I. 954g粒徑為40-60nm的Ti02加入20ml四氫呋喃中混合后，超聲振蕩25min，得到分散較好的ニ氧化鈦納米粒子懸濁液。將6. 52g硅橡膠加入到四氫呋喃中，于27°C攪拌85min，得到硅橡膠溶液。2)將納米粒子懸浮液與硅橡膠溶液共混，提高攪拌溫度，于45°C攪拌120min得到復(fù)合材料初混物。3)將復(fù)合材料初混物在80°C的烘箱中烘2. 5h，取出祛除溶劑的復(fù)合材料初混物加入0. 20g的正硅酸こ酯及0. 0592g的二月桂酸ニ丁基錫。4)將共混物放置于模具中，室溫下12Mpa壓置12h。得到高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料。其室溫下的介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系，載荷與形變的變化關(guān)系，驅(qū)動(dòng)敏感度以及驅(qū)動(dòng)電場與電致伸縮形變關(guān)系分別如圖I、圖2、圖3和圖4中的曲線I。實(shí)施例2I)將1.603g粒徑為40-60nm的Ti02加入16ml四氫呋喃中混合后，超聲振蕩27min，得到分散較好的ニ氧化鈦納米粒子懸濁液。將5. 3g硅橡膠加入到四氫呋喃中，于25°C攪拌45min，得到硅橡膠溶液。2)將I. 06g增塑劑(ニ甲基硅油)加入四氫呋喃溶劑，于25°C攪拌20min，得到增塑劑溶液；將ニ氧化鈦粒子懸浮液和聚合物溶液與增塑劑溶液混合后，于47°C攪拌120min得到復(fù)合材料初混物。3)將復(fù)合材料初混物在80°C的烘箱中烘3h，取出祛除溶劑的復(fù)合材料初混物加AO. 1573g的正硅酸こ酯及0. QAllg的二月桂酸ニ丁基錫。 4)將共混物放置于模具中，室溫下15Mpa壓置llh。得到高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料。其室溫下的介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系，載荷與形變的變化關(guān)系，驅(qū)動(dòng)敏感度以及驅(qū)動(dòng)電場與電致伸縮形變關(guān)系分別如圖I、圖2、圖3和圖4中的曲線2。實(shí)施例3I)將1.378g粒徑為40-60nm的Ti02加入14ml四氫呋喃中混合后，超聲振蕩30min,得到ニ氧化鈦納米粒子懸濁液。將4. 6g硅橡膠加入到四氫呋喃中，于30°C攪拌40min,得到娃橡膠溶液。2)將2. 765g增塑劑(ニ甲基硅油)加入四氫呋喃溶劑，于26°C攪拌25min，得到增塑劑溶液；將ニ氧化鈦粒子懸浮液和聚合物溶液與增塑劑溶液混合后，于50°C攪拌125min得到復(fù)合材料初混物。3)將復(fù)合材料初混物在85°C的烘箱中烘3h，取出祛除溶劑的復(fù)合材料初混物加AO. 1383g的正硅酸こ酯及0. 0412g的二月桂酸ニ丁基錫。4)將共混物放置于模具中，室溫下16Mpa壓置12h。得到高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料。其室溫下的介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系，載荷與形變的變化關(guān)系，驅(qū)動(dòng)敏感度以及驅(qū)動(dòng)電場與電致伸縮形變關(guān)系分別如圖I、圖2、圖3和圖4中的曲線3。實(shí)施例4I)將I. 263g粒徑為40-60nm的Ti02加入13ml四氫呋喃中混合后，超聲振蕩30min，得到分散較好的ニ氧化鈦納米粒子懸濁液。將4. 2g硅橡膠加入到四氫呋喃中，于30°C攪拌40min，得到硅橡膠溶液。2)將4. 196g增塑劑(ニ甲基硅油)加入四氫呋喃溶劑，于30°C攪拌25min，得到增塑劑溶液；將ニ氧化鈦粒子懸浮液和聚合物溶液與增塑劑溶液混合后，于52°C攪拌120min得到復(fù)合材料初混物。3)將復(fù)合材料初混物在85°C的烘箱中烘4h，取出祛除溶劑的復(fù)合材料初混物加AO. 1253g的正硅酸こ酯及0. 0378g的二月桂酸ニ丁基錫。4)將共混物放置于模具中，室溫下15Mpa壓置13h。得到高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料。其室溫下的介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系，載荷與形變的變化關(guān)系，驅(qū)動(dòng)敏感度以及驅(qū)動(dòng)電場與電致伸縮形變關(guān)系分別如圖I、圖2、圖3和圖4中的曲線4。從圖1-4中可看出，本發(fā)明得到的硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料具有基體相態(tài)穩(wěn)定、模量低、驅(qū)動(dòng)敏感度高， 制備エ藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.ー種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料基體為硅橡膠(端羥基聚ニ甲基硅氧烷)、納米填料ニ氧化鈦，粒徑為40-60nm，與硅橡膠基體的質(zhì)量比為3:10，其特征在于，在所述基體中加入與基體材料完全相容的ニ甲基硅油作為增塑劑，與硅橡膠基體的質(zhì)量比為1:5-1: I。
2.ー種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)將ニ氧化鈦納米粒子與溶劑四氫呋喃按Igニ氧化鈦約IOml四氫呋喃的比例混合后超聲振蕩27-30min，得到分散較好的懸濁液，將稱量好的聚合物基體加入到四氫呋喃中，于25-30°C攪拌40-45min，得到硅橡膠溶液； 2)將增塑劑與四氫呋喃溶劑混合后，于25-30°C攪拌20-25min，得到增塑劑溶液；將ニ 氧化鈦納米粒子懸浮液和硅橡膠溶液與增塑劑溶液混合后，于47-52°C攪拌120-125min得到復(fù)合材料初混物； 3)將復(fù)合材料初混物在80-85°C的烘箱中烘3-4h，取出祛除溶劑的復(fù)合材料初混物加入與硅橡膠基體質(zhì)量比為3:100的正硅酸こ酯及與硅橡膠基體質(zhì)量比9:1000的二月桂酸~■丁基錫； 4)將共混物放置于模具中，室溫下15-16Mpa壓置ll_13h，得到高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電弾性體復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述增塑劑為ニ甲基硅油。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述ニ氧化鈦納米粒子的粒徑為40_60nmo
全文摘要
一種高驅(qū)動(dòng)敏感度硅橡膠基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法屬于電介質(zhì)功能材料領(lǐng)域，本發(fā)明所提供的復(fù)合材料由三相組成硅橡膠(端羥基聚二甲基硅氧烷)，填料粒子金紅石型二氧化鈦以及增塑劑二甲基硅油。本發(fā)明通過向復(fù)合材料中引入硅橡膠最合適的增塑劑二甲基硅油，以對復(fù)合材料模量進(jìn)行調(diào)控。采用溶液共混法將聚合物，填料粒子與增塑劑進(jìn)行共混，常溫壓制工藝對作為復(fù)合材料的成型工藝。得到驅(qū)動(dòng)敏感度可調(diào)的硅橡膠基介電彈性體復(fù)合材料。本發(fā)明提供的復(fù)合材料具有基體相態(tài)穩(wěn)定、模量低、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B29C43/58GK102649876SQ20121016338
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者黨智敏, 查俊偉, 趙航 申請人:北京科技大學(xué)