[發明專利]一種電致伸縮聚合物層狀納米復合材料及其制法和應用

無效

• 申請號: 200610080969.X
• 申請日: 2006-05-26
• 公開（公告）號: CN101077930A
• 公開（公告）日: 2007-11-28
• 發明（設計）人: 魏志祥;江雷
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C08L83/04
• 分類號: C08L83/04;C08L33/08;C08K5/57;C08J5/18;B29C55/06;A61F2/08;C08K5/541;C08K3/34;C08K3/30;C08K3/04
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司
• 代理人: 王鳳華

技術領域

本發明屬于有機/無機復合材料領域，具體地說是涉及一種電致伸縮聚合物層狀納米復合材料，及其制備方法和用途。

背景技術

電致伸縮聚合物是在電場的作用下能產生伸縮運動，從而實現電能—機械能轉換的一種聚合物材料。電致伸縮聚合物由于其電能—機械能轉換中類似肌肉的運動形式被稱為人工肌肉材料。在美國專利US6911764和US6940211中，公開了一種基于電致伸縮聚合物的電能—機械能轉化的材料和器件，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，其驅動電壓較高、輸出應力，使得其性能與肌肉相比還有較大的差距。2005年，在美國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電壓高達數千伏，但結果仍以人類的勝利而告終。現有的電致伸縮聚合物的電致伸縮性能還有待提高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有的電致伸縮聚合物的驅動電壓較高和輸出應力較小的缺陷，從而提供一種具有較低驅動電壓和較大輸出應力電致伸縮聚合物層狀納米復合材料。

本發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合材料的制備方法。

本發明的再一目的在于提供上述電致伸縮聚合物層狀納米復合材料的用途。

本發明的目的是通過如下的技術方案實現的：

本發明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料，其為一包括電致伸縮聚合物、納米層狀無機材料、有機插層劑、交聯劑、催化劑、質子化劑在內的混合物在40～120℃固化得到的厚為10～1000微米的膜狀材料，然后經過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，能在垂直于電場和拉伸的方向產生1～100％的應變。

本發明提供一種上述電致伸縮聚合物層狀納米復合材料的制備方法，包括如下的步驟：

1)將電致伸縮聚合物100重量份，納米層狀無機材料0.1～20重量份，有機插層劑0.1～20重量份，交聯劑1～5重量份，催化劑0.01～0.2重量份，質子化劑0.2～5重量份混和均勻后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃進行1～10個小時固化反應，得到膜厚為10～1000微米的復合材料膜層；

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；

所述的納米層狀無機材料為50～1000納米尺寸的層狀絕緣體材料、層狀半導體材料或層狀導體材料；優選的，所述的層狀絕緣材料為蒙脫土；所述的層狀半導體材料為二硫化鉬；所述的層狀導電材料為層狀石墨；

所述的有機插層劑為有機胺，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；

所述的質子化劑為鹽酸、磷酸或硫酸；

2)將步驟1)得到的復合材料膜層沿一維方向拉伸取向，使復合材料膜層沿拉伸方向取向，得到本發明的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料。

本發明的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料通過在電致伸縮聚合物中加入蒙脫土、二硫化鉬或層狀石墨，大幅度地提高了復合材料的力學性能和加工性能；由于取向層狀無機材料產生感應電場，能顯著改善電致伸縮聚合物層狀納米復合材料的電驅動性能。在垂直于膜平面的方向施加10～100V/μm的電場，能在垂直于電場和拉伸的方向產生1～100％的應變；去掉電場后，形變能很快回復。即本發明的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料具有在外加電場驅動下，形變可逆的性質。

本發明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料，可以應用于與人工肌肉相關的電驅動、泵和傳感器領域，如將所述的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料，通過旋轉涂膜或噴涂的方法在兩面涂覆碳基導電膠，得到兩面為導電膠、中間為本發明的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料的三明治結構的人工肌肉材料，這種三明治結構通過拉伸剪切作用使納米片層結構在電致伸縮聚合物層狀納米復合材料中沿平行與拉伸方向取向。對三明治結構施加電場強度10～100V/μm的電場，可以使電致伸縮聚合物層狀納米復合材料在垂直于電場和拉伸的方向產生1～100％的形變，從而輸出機械能。

與現有技術相比，本發明提供的電致伸縮聚合物層狀納米復合材料的優點在于其制備方便，并降低了驅動電壓，在較低的驅動電壓下可以較大輸出應力。

具體實施方式

實施例1