一種交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種介電彈性體材料，特別涉及一種交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]新型高性能電驅動材料可將電能轉化為機械能，在智能驅動及生物醫療領域有著廣泛的應用前景。與壓電陶瓷及記憶合金相比，電活性聚合物具有低成本、結構易調控等優勢，引起了特別關注。
[0003]介電彈性體是具有高介電常數(K)的彈性體材料，在介電彈性體膜上下表面涂覆電極并施加外電場后，會發生約10%?40%的形變而改變其形狀或體積，這個過程伴隨著應力和應變的產生，從而將電能轉化為機械能。介電彈性體具有機電轉換效率高、形變大及響應迅速等優異綜合性能，在驅動器、發電機及傳感器等方面有實際應用。
[0004]對于介電彈性體來說，其電致形變大小正比于介電常數K及加在其上的電場強度的平方，因此，提高介電常數K及擊穿強度Eb這兩個指標是改善介電彈性體執行器效率的重要途徑。同時，材料的彈性模量Y也影響著電致形變的大小，通常彈性模量越小，材料發生形變所需的應力就越小，所需的驅動電壓也就越低。因此，制備同時具備較高介電常數以及較低彈性模量的彈性體材料，是獲得性能優異，即低驅動電壓、大電致形變特性的介電彈性體材料之關鍵所在。
[0005]聚偏氟乙烯系共聚物材料具有較高的介電常數值，然而其玻璃化轉變溫度較高，彈性模量值也較大，因此直接作為介電彈性體使用時不能獲得較大的電致形變。如何對其進行復合改性是相關領域的研究熱點。一般的，通過添加無機高介陶瓷到聚合物基體中可提高復合材料的K值，但是由于復合材料的彈性模量也會同時增加，因此驅動形變增加不明顯；其次，通過添加有機導電體可大幅提高復合材料的K值，然而導電率的增大使得復合材料的Eb大大降低，同時漏導損耗增加，導致形變增加亦不明顯。

【發明內容】

[0006]為了克服現有介電彈性體材料驅動電壓較高、電致形變較小的不足，本發明的目的是提供了一種交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料及其制備方法，該方法采用自行合成的含有內雙鍵的聚偏氟乙烯系共聚物為基體，功能交聯劑分子為交聯單元，可以獲得低驅動電壓、大電致形變的全有機介電彈性體復合材料;本發明涉及到的介電彈性體材料在低電場下具有較大形變/位移(約30-300%)，有望應用于制備人工肌肉、微流控栗/閥、揚聲器及靈敏觸覺顯示等機-電轉換驅動器件。
[0007]為了達到上述目的，本發明的技術方案及途徑為:
[0008]—種交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料，其原料組分按質量份數計算包括:60-90份的氟聚合物基體、8-40份重量的功能交聯劑和1-3份的催化劑。
[0009]所述氟聚合物基體為聚偏氟乙烯(PVDF)系共聚物，包括由但不限于偏氟乙烯(VDF)及三氟乙烯(TrFE)、三氟氯乙烯(CTFE)、四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)、全氟乙丙烯(FEP)、六氟異丁烯(TrFE)、全氟代烷基乙烯基醚(TrFE)單體，其中的兩種或兩種以上單體通過共聚反應制得;共聚反應制得的共聚物包括聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)共聚物、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯)共聚物、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物等;氟聚合物基體亦可由上述共聚物中的一種或一種以上聚合物組成。
[00?0]所述功能交聯劑分子，其分子量在100?100000之間，交聯劑分子主鏈為柔性低模量結構，分子化學結構包括但不限于聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚異戊二烯、聚氨酯、聚醚類聚合物及其衍生物。交聯劑分子亦包含可與氟聚合物基體中的內雙鍵發生加成反應的極性基團，包括但不限于疏基、氣基、竣基等。
[0011]所述催化劑，是含有活性羥基的小分子或大分子，用于加速功能交聯劑分子與氟聚合物基體之間的化學交聯反應，典型的包括但不限于水、乙醇、異丙醇等含羥基化合物中的一種或幾種。
[0012]—種交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料的制備方法，包括下述步驟:
[0013](a)向燒瓶中加入50-120份溶劑，溶劑為強極性溶劑，包括乙酸乙酯或四氫呋喃或二甲基甲酰胺，然后加入60-90份含內雙鍵的聚偏氟乙烯系共聚物，強力攪拌30min;
[0014](b)待(a)溶解后，強力攪拌下逐滴加入8-40份功能交聯劑分子，室溫下繼續攪拌20-30min ；然后逐漸滴入1_3份催化劑，40-60 °C下攪拌反應8_10h ；
[0015](C)待(b)降至室溫后，將反應溶液過濾，隨即在玻璃平板上流延，玻璃平板置于均勻熱環境中，逐步升溫至60-100°C，干燥4_8h除去溶劑，玻璃平板上即制得交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料膜；
[0016]所述的加入量份數均為質量份數。
[0017]本發明的有益結果是:由于采用具有功能基團的柔性低模量交聯劑分子與含內雙鍵的高介電常數氟共聚物進行交聯反應，制備的復合材料不僅受益于引入極性的功能基團(如氨基、羧基、巰基等)使得氟聚合物K值得到提高，而且由于柔性鏈的間隔作用，使得復合材料的彈性模量值大大降低，電致形變/位移值大大提高。
【附圖說明】
[0018]圖1是以氨基硅氧烷功能交聯劑分子為例，制備交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料的過程示意圖，包括含內雙鍵氟共聚物的合成及含氨基功能交聯劑分子加成交聯含內雙鍵氟共聚物的化學過程。
[0019]圖2是實施例1中介電彈性體復合材料的機-電轉換性能表。
【具體實施方式】
[0020]下面結合【具體實施方式】對本發明作詳細說明。
[0021 ] 實施例一
[0022]本實施例其原料組分按質量份數計算包括90份的氟聚合物基體、9份重量的功能交聯劑和I份的催化劑。
[0023]本實施例制備方法，包括下述步驟:向200ml的燒瓶中加入10ml乙酸乙酯，然后加入9g含內雙鍵的聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)，強力攪拌30min;待溶解后，強力攪拌下逐滴加入0.9g氨基硅氧烷功能交聯劑分子(分子量約為2000)，室溫下繼續攪拌30min;然后逐漸滴Λ0.1g催化劑水，60 V下攪拌反應Sh;待降至室溫后，將反應溶液過濾，隨即在玻璃平板上流延，玻璃平板置于均勻熱環境中，逐步升溫至80°C，干燥Sh除去溶劑。玻璃平板上即制得氨基硅氧烷加成交聯氟聚合物基介電彈性體復合材料膜。
[0024]經測試，所制交聯型氟聚合物基介電彈性體復合材料膜的介電常數值為16，形變值比未交聯氟聚合物提高約300%。圖2列出了不同含量氨基硅氧烷分子交聯氟聚合物基介電彈性體復合材料的