高介电常数丙烯酸酯弹性体基复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-04-12 09:18

【摘要】：介电弹性体是电活性聚合物材料的一种,其特点是在外加电场作用下能够发生体积或者尺寸的变化,从而将电能转化为机械能,且该材料也能将机械能转化为电能。介电弹性体因其响应速度快(1ms)和能量密度高等优点在传感器、驱动器、能量获取器件、生物医用及航空航天等领域有广阔的应用前景。为在较低驱动电场中获得较大应变,可提高介电弹性体的介电常数或者降低弹性模量。因此本研究致力于提高介电弹性体介电常数并使其保持较低杨氏模量。本研究以丙烯酸丁酯、苯乙烯和丙烯酸羟乙酯为单体,采用自由基聚合法制备了丙烯酸酯弹性体(AR),并通过~1H-NMR和FT-IR对产物进行了表征。以AR为基体树脂,以合成的两种新型杂化石墨烯为填料分别制备了两种高介电常数低损耗丙烯酸酯弹性体纳米复合材料。将合成的三元共聚聚苯胺(d-PANI)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷水解反应合成的超支化聚硅氧烷(HBSi)通过开环反应制备出聚硅氧烷改性聚苯胺(HBSiPA),通过核磁共振和红外光谱证明HBSiPA的成功合成。此外,HBSiPA的溶解性,热稳定性均优于d-PANI。然后将HBSiPA和热还原氧化石墨烯进行杂化制备出第一种新型杂化石墨烯—改性聚苯胺-石墨烯(HBSiPA-TrGO)。采用两步法合成磺酸丙基咪唑类离子液体(IL),在化学还原氧化石墨烯表面进行原位聚合制备得第二种新型石墨烯杂化物—聚离子液体-石墨烯(PILs-CrGO)。通过XPS、FT-IR、UV-vis和Raman等表征手段表明HBSiPA和TrGO之间,PILs和CrGO存在强烈的π π相互作用。通过XRD、SEM、TEM和AFM等技术表明在HBSiPA和PILs的修饰下有利于剥离石墨烯片层,有效地阻止石墨烯的团聚和堆垛。将这两种新型杂化石墨烯作为导电填料分别加入AR中,制备了不同填料含量的丙烯酸酯弹性体复合材料。同时,制备了以未改性石墨烯为填料的复合材料以作比较。通过SEM和XRD分析可知在石墨烯表面引入HBSiPA或者PILs有助于提高其在基体中的分散性。DSC和TGA分析表明新型杂化石墨烯提高了AR的热稳定性。基于逾渗理论,结合电导率曲线拟合出HBSiPA-TrGO/AR和PILs-CrGO/AR复合材料的逾渗阈值分别为2.42 vol%和1.71 vol%。在100Hz处,2.83 vol%HBSiPA-TrGO/AR和1.69 vol%PILs-CrGO/AR复合材料的介电常数分别高达355和640,其介电损耗分别低至0.37和0.34。这两种复合材料的介电性能均优于未改性石墨烯/丙烯酸酯弹性体复合材料的介电性能。通过模拟电路拟合及分析得出介电性能的提高归因于石墨烯杂化物导电通路的形成和增强的MWS极化效应。此外,这两种复合材料柔性很好,杨氏模量均低于5 MPa,适用于制造传感器、驱动器等器件。
【图文】：

示意图,导电聚合物,传感器,示意图

高介电常数丙烯酸酯弹性体基复合材料的制备及性能研究合物一般需要在电解液下工作，以便于离子或者分子能在其中在，离子型电活性聚合物与可响应材料具有一些相同的特性。或者应变会引起离子的迁移和扰乱电荷分布；离子运输到电极会影响到应用（传感器，驱动器）的整体结果。大多数离子型电高分子（Conducting Polymers，CPs）、离子聚合物-金属omposites，IPMCs）、离子聚合物凝胶（IonicPolymerGels，分子

示意图,金属复合材料,离子聚合物,驱动机理

图 1. 2 离子聚合物-金属复合材料驱动机理示意图-金属复合材料能够在较低电压（1-5 V）驱动下发生弯曲，由覆在聚合物膜表面薄薄的金属微粒（通常为铂或金纳米粒子）体为在相互连接簇中负离子的固定聚合物网络中阳离子的迁移电极是分散在聚合物表面亲水区域的金属离子，后续研究金属膜施加偏压，引起膜内离子浓度变化使其可移动离子迁移至带的一侧发生收缩另一侧发生溶胀，从而实现薄膜的弯曲，如图由于聚合物中已经建立的压力梯度，薄膜将稍加回复。尽管这其驱动形变一般低于 3%以及水合需求远不能达到应用要求[26]比，，非常有发展前景的三层 IMPs 已经迅速发展起来，其在最，显著提高了弯曲率[27]。聚合物凝胶凝胶由交联聚合物网络（通常为聚丙烯酸凝胶）以及填充在聚28]。这类材料是一种水凝胶，一种可以在水中发生溶胀的交联聚
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】