聚丙烯酸酯基介电弹性体制备及其性能研究

发布时间：2020-07-31 13:07

【摘要】：科技进步,特别是机器人,自动化产业以及人造生物装置的发展,对机电能转换器提出了越来越高的要求。新型的高能量输出,高应变,高柔韧性,轻质量,低成本的机电转换器将为该产业的进一步发展提供有力支持。介电弹性体(DE)作为制备机电能转换器的新型材料,具有能量密度高、形变量大、响应速度快、机电转化效率高等优点。然而,目前介电弹性体材料通常需要非常高的驱动电压以实现好的机电转换性能,这严重制约了介电弹性体的应用前景。根据介电弹性体机电能量转换机理可知,提高材料介电常数和/或降低弹性模量是实现低驱动电压下大形变的可行性策略。以此为目标,在本论文中我们做了以下工作:(1)通过原子转移自由基聚合法(ATRP)制备了丙烯酸正丁酯(BA)含量为69.5 wt%的丙烯酸正丁酯-丙烯酸共聚物——p(BA-AA)。研究了聚乙二醇200(PEG 200)对p(BA-AA)共聚物力学和介电性能的影响。PEG 200的加入能够大幅度降低p(BA-AA)/PEG 200共混物的杨氏模量,其杨氏模量最小值为0.6 MPa。p(BA-AA)/PEG 200共混物的介电常数随PEG 200含量增加而显著提高,最大值为15.4。最终p(BA-AA)/PEG 200共混物在电场强度为25 kV/mm时达到4.2%的面积形变。(2)通过ATRP法制备了 BA含量为78.7 wt%的p(BA-AA)共聚物。通过三价铁离子与羧基的络合作用,制备出p(BA-AA)@Fe3+交联聚合物。p(BA-AA)@Fe3+络合物具有900%的断裂伸长率和2MPa的断裂强度。p(BA-AA)@Fe3+络合物的杨氏模量较小(1.1MPa)。随着三价铁离子用量降低,p(BA-AA)@Fe3+络合物的介电常数略有增加。(3)通过ATRP法制备了一系列BA质量分数不同的丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物——p(BA-GMA),并利用GMA的环氧侧基的开环反应制备了自交联聚合物c-p(BA-GMA)。c-p(BA-GMA)的杨氏模量随GMA含量降低从0.41 MPa下降至0.11 MPa,其驱动敏感因子从14.43 MPa-1增加至51.54 MPa-1。c-p(BA-GMA)在低电场21.6 kV/mm时的驱动形变高达52.1%。并且,将c-p(BA-GMA)-3制成弯曲驱动器,测得该驱动器具有较好的驱动响应性。(4)通过ATRP法制备了 BA含量为68 wt%的丙烯酸正丁酯-丙烯酸羟乙酯共聚物——p(BA-HEA),利用p(BA-HEA)中的羟基(-OH)与二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)中的异氰酸酯基(-NCO)的缩聚反应制备出聚氨酯丙烯酸酯弹性体——p(BA-HEA)@MDI。随着MDI用量的降低,p(BA-HEA)@MDI的杨氏模量显著下降。氨基甲酸酯基-OC(O)NH-以及-OH的存在使得p(BA-HEA)@MDI的介电常数维持在较高值(～7)。p(BA-HEA)@MDI-3在15.2 kV/mm的较低电场下具有.14.4%的大面积形变。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TB34
【图文】：

介电弹性体驱动机理首先由Ｗｉｌｈｅｌｍ邋Ｃｏｎｒａｄ邋Ｒｉｉｎｔｇｅｎ于１８８０年发现，当逡逑时高压电晕放电产生的空气离子沉积在橡皮筋的两侧，并且橡皮筋发生延伸逡逑响应［９］。如图２－１所示，介电弹性体驱动器（ＤＥＡ）由介电弹性体和涂覆在逡逑其上下表面的柔性电极构成。当电极加上电压之后，电荷在电极表面形成均逡逑匀电场，此时可以将电极及ＤＥ看作电容器，上下极板的正负电荷相互吸引，逡逑这种静电吸引力使得ＤＥ薄膜变薄，由于ＤＥ薄膜可以近似看作为体积不可逡逑压缩材料，因此其水平方向面积将扩展。与此同时同一极板上的同种电荷间逡逑相互排斥，同样使得ＤＥ薄膜的面积扩展。当电压撤去之后，ＤＥ依靠自身的逡逑弹性恢复到原来的形状。逡逑ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑ｅｌａｓｔｏｍｅｒ邋ｆｉｌｍ逦ｐｏｓｉｔｉｖｅ邋ｃｈａｒｇｅｓ逦？逡逑＼逦ｏｎ邋ｔｏｐ邋ｓｕｒｆａｃｅ逦■逡逑ｃｏｍｐｌｉａｎｔ邋ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｃｈａｒｇｅｓ逦＾逦｜逡逑：？＝＝逦ｏｎ邋咖 ＾逦１逦－逡逑图２－１介电弹性体驱动机理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｄｒｉｖｉｎｇ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｅｌａｓｔｏｍｅｒ逡逑介电弹性体驱动器的工作原理可以通过多种方式得出［２，３】。其中Ｐｅｌｒｉｎｅ逡逑等人提出的理论是最常应用的［２］。他们假设介电弹性体为一类不可压缩材料，逡逑即形变过程中体积保持不变

介电弹性体驱动机理首先由Ｗｉｌｈｅｌｍ邋Ｃｏｎｒａｄ邋Ｒｉｉｎｔｇｅｎ于１８８０年发现，当逡逑时高压电晕放电产生的空气离子沉积在橡皮筋的两侧，并且橡皮筋发生延伸逡逑响应［９］。如图２－１所示，介电弹性体驱动器（ＤＥＡ）由介电弹性体和涂覆在逡逑其上下表面的柔性电极构成。当电极加上电压之后，电荷在电极表面形成均逡逑匀电场，此时可以将电极及ＤＥ看作电容器，上下极板的正负电荷相互吸引，逡逑这种静电吸引力使得ＤＥ薄膜变薄，由于ＤＥ薄膜可以近似看作为体积不可逡逑压缩材料，因此其水平方向面积将扩展。与此同时同一极板上的同种电荷间逡逑相互排斥，同样使得ＤＥ薄膜的面积扩展。当电压撤去之后，ＤＥ依靠自身的逡逑弹性恢复到原来的形状。逡逑ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑ｅｌａｓｔｏｍｅｒ邋ｆｉｌｍ逦ｐｏｓｉｔｉｖｅ邋ｃｈａｒｇｅｓ逦？逡逑＼逦ｏｎ邋ｔｏｐ邋ｓｕｒｆａｃｅ逦■逡逑ｃｏｍｐｌｉａｎｔ邋ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｃｈａｒｇｅｓ逦＾逦｜逡逑：？＝＝逦ｏｎ邋咖 ＾逦１逦－逡逑图２－１介电弹性体驱动机理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｄｒｉｖｉｎｇ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｅｌａｓｔｏｍｅｒ逡逑介电弹性体驱动器的工作原理可以通过多种方式得出［２，３】。其中Ｐｅｌｒｉｎｅ逡逑等人提出的理论是最常应用的［２］。他们假设介电弹性体为一类不可压缩材料，逡逑即形变过程中体积保持不变

宏观上介电常数是材料极化程度的度量。材料的极化可以有多种形式，逡逑大致可以分为四种极化形式，即电子极化，离极化，取向极化，界面极化，逡逑如图２－４所示晸。逡逑（。：卜．ｅ：邋ＩｒＴＩｉＴＴ逡逑０－＾０邋逦Ｅ逦＾逡逑尸ｉｎｄｕｃｅｄ逦逦卜逦一邋￣逡逑（ａ）电子极化’逦（ｂ）离子极化逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｉ逦＾逡逑０薇函自逡逑■邋—逦Ｆｉｘｅｄ邋ｃｈａｒｇｅ邋｜逦Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ邋ｃｈｖｕ＾ｃ逡逑Ｋｉｏｂｉｌｅ邋ｃｈａｉｓｅ逡逑（ｃ）取向极化逦（ｄ）界面极化逡逑图２－４电介质材料极化的四种形式（ａ）电子极化，（ｂ）离子极化，（ｃ）取向极化，和逡逑（ｄ）界面极化［１８］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－４邋Ｆｏｕｒ邋ｆｏｒｍｓ邋ｏｆ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋（ａ）邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，邋（ｂ）逡逑ｉｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，邋（ｃ）邋ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，邋ａｎｄ邋（ｄ）邋ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ１１８１逡逑电子极化是指在没有电场作用下，原子的原子核电荷中心和电子负电荷逡逑中心是重合的，原子表现为中性。如果将原子置于电场下，原子的价电子云逡逑对于原子核发生位移形成偶极矩

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 J.T.Siemon;张志英;张志敏;;耐蠕变弹性体支座的发展[J];橡胶译丛;1987年06期

2 Julian M.Mitchell;王启生;;一种新型弹性体材料—SEP[J];橡胶参考资料;1987年01期

3 程宇;应用热分析技术改进弹性体的质量保证[J];合成橡胶工业;1988年S1期

4 曾晓峰,胡力平;弹性体材料的燃烧与阻然[J];合成橡胶工业;1989年01期

5 ;题录部分[J];橡胶参考资料;1989年02期

6 ;题录部分[J];橡胶参考资料;1989年05期

7 竹村泰彦;赵瑞时;;赋予弹性体复合材料的功能及其现状[J];橡胶参考资料;1989年06期

8 John R. Dunn;边景明;;是汽车生产者没充分利用新型弹性体吗?[J];橡胶参考资料;1989年04期

9 村田则夫;付文忠;;耐热性无机类弹性体[J];橡胶参考资料;1989年04期

10 ;基于杜仲胶的自修复功能弹性体材料研制成功[J];橡塑技术与装备;2017年03期

相关会议论文 前10条

1 张立群;王润国;康海澜;胡潇然;王朝;雷巍巍;周鑫鑫;乔荷;;新型生物基弹性体材料:从基础到应用[A];2016年全国高分子材料科学与工程研讨会论文摘要集[C];2016年

2 王东瑞;;“全有机”弹性体的电致形变[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题H：光电功能高分子[C];2017年

3 杨丹;郭文莉;张立群;;高性能介电弹性体复合材料的设计与制备[A];第十四届中国橡胶基础研究研讨会会议摘要集[C];2018年

4 田明;;特种及功能弹性体材料:从基础到应用[A];第十二届中国橡胶基础研讨会会议摘要集[C];2016年

5 严慧;戴玉婷;;介电弹性体平板非线性静力学分析[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（下）[C];2018年

6 丁涛;刘全勇;石锐;田明;张立群;;一种新型的可生物降解弹性体的合成与性能研究[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年

7 郭辉;陈玉;;橡胶类弹性体材料的三维粘弹性本构关系[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（下）[C];2018年

8 冒杰;罗英武;;基于侧链工程调控介电弹性体电致形变性能新策略[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题C：高分子物理与软物质[C];2017年

9 郭宝春;唐征海;黄晶;张旭辉;张立群;;弹性体材料中牺牲键的设计和性能效应[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第十分会：高分子[C];2016年

10 张立群;;先进弹性体基功能材料的设计制备与性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

相关重要报纸文章 前6条

1 记者 陈婉婉;安农大制备出超强弹性体材料[N];安徽日报;2019年

2 记者 常河;安徽农业大学在超强弹性体材料领域取得突破[N];光明日报;2019年

3 鲁荣;介电弹性体：神奇的智能软材料[N];中国航天报;2017年

4 孙杰;弹性体材料市场占大头[N];中国化工报;2004年

5 肖克 记者 衣春翔;哈工大课题组研制出“世界最轻材料”[N];黑龙江日报;2015年

6 王梦;国内兴建首条万吨级TPV生产线[N];中国工业报;2011年

相关博士学位论文 前7条

1 赵玉;聚丙烯酸酯基介电弹性体制备及其性能研究[D];北京科技大学;2019年

2 钮晨光;粒子/基体界面改性对电流变弹性体粘弹性的影响[D];大连理工大学;2017年

3 王文韬;离子型三嵌段及接枝型共聚物弹性体结构与性能关系[D];中国科学技术大学;2018年

4 秦秀敏;聚醚型聚氨酯（脲）弹性体的改性、形态结构及性能研究[D];上海交通大学;2006年

5 石振东;聚氟硅氧烷—聚氨酯（脲）嵌段共聚物弹性体的制备、形态结构及性能研究[D];上海交通大学;2007年

6 唐淼;聚合物弹性体材料网络结构对流变学行为和力学性能影响的研究[D];中国科学技术大学;2017年

7 朱向群;称重传感器弹性体材料关键技术研究及应用[D];江苏大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 谢巍;FKM/HNBR合金弹性体及其芳纶浆粕复合材料制备与性能研究[D];安徽大学;2019年

2 贺佳卉;脲基嘧啶酮有机硅自修复复合弹性体的制备、结构与性能研究[D];武汉理工大学;2018年

3 黄训辉;软磁性弹性体材料的制备、结构与性能研究[D];华南理工大学;2018年

4 吕龙舟;基于圆柱形介电高弹性体驱动器电力学性质的研究及有限元分析[D];南京理工大学;2018年

5 韩栋栋;基于胺—烯反应制备有机硅弹性体及性能研究[D];山东大学;2018年

6 吕锡明;纳米SiO_2颗粒涂覆有机硅弹性体微球的制备及性能研究[D];江南大学;2018年

7 伊海萍;金属配位键交联的自修复弹性体的设计、制备及性能研究[D];北京化工大学;2018年

8 孙宗学;高粘结性柔性电极制备及介电弹性体器件驱动性能研究[D];北京化工大学;2018年

9 胡磊;新型二氧化碳弹性体的设计合成与性能的研究[D];北京化工大学;2018年

10 程炳坤;本征型自愈合酰胺基弹性体的制备与研究[D];华南理工大学;2018年

本文编号：2776513