[發(fā)明專利]聚吡咯涂層復合聚羥基丁酸酯膜電活性材料及其制備方法

無效

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• 申請日: 2011-12-13
• 公開（公告）號: CN102514281A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡志江
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學
• 主分類號: B32B9/04
• 分類號: B32B9/04;B32B37/15;C08J7/04;C08L67/04;C08G73/06
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子材料領(lǐng)域，具體涉及聚吡咯涂層復合聚羥基丁酸酯膜電活性材料及該電活性材料的制備方法。

背景技術(shù)

電活性聚合物(Electroactive?Polymer，簡稱EAP)，又被稱為電刺激響應(yīng)性聚合物材料，是一類能夠在外電場誘導下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生多種形式的力學響應(yīng)的材料。其響應(yīng)形式有伸縮、彎曲、束緊或膨脹等，從而可以實現(xiàn)牽引、驅(qū)動、緊固、傳感等功能。EAP能直接受到外界信號刺激而產(chǎn)生運動，其形變和力學響應(yīng)的尺度雖然較小，但仍然優(yōu)于傳統(tǒng)的電活性材料(如比電活性陶瓷的應(yīng)變能力約高兩個數(shù)量級)；在頻譜響應(yīng)、低密度和回彈性方面則優(yōu)于形狀記憶合金，而主要應(yīng)用于微小型系統(tǒng)。可以利用這類材料作為驅(qū)動裝置構(gòu)造新型的微型產(chǎn)品、機電系統(tǒng)或機器人。在這些微型產(chǎn)品中不需要常規(guī)的機械驅(qū)動裝置(諸如馬達、機軸、齒輪等)，從而大大減輕了系統(tǒng)的重量，改變了傳統(tǒng)的機器的概念，為未來異型機器或系統(tǒng)提供了廣闊的創(chuàng)新空間。同時，EAP具有高韌性、富有彈性、質(zhì)量輕等優(yōu)點，特別適用于仿生機器人的驅(qū)動裝置及各類傳感器。

EAP的起源可以追溯到19世紀80年代，倫琴首次發(fā)現(xiàn)一端固定而另一端連接一定重量的橡皮筋在電場中可以發(fā)生長度的改變。20世紀20年代，壓電聚合物的發(fā)現(xiàn)并被用作傳感器是EAP發(fā)展史上的重要里程碑。40年代末，人們首次發(fā)現(xiàn)了化學活性聚合物材料，如將膠原質(zhì)纖維浸泡在酸或堿溶液中時可重復收縮和膨脹，這種“化學-機械”驅(qū)動器是合成聚合物仿生肌肉研究的前驅(qū)。隨著電刺激技術(shù)的成熟和發(fā)展，人們越來越關(guān)注EAP材料。1969年，發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯(PVDF)材料具有較大的壓電效應(yīng)，人們開始把目光投向PVDF及其共聚物體系，之后大量高效的EAP被開發(fā)出來。隨著EAP材料研究的不斷深入和發(fā)展，其巨大的應(yīng)用前景已呈現(xiàn)在人們面前。利用EAP可實現(xiàn)設(shè)備與器件的小型化，從而推動微電子機械技術(shù)的發(fā)展，目前EAP已經(jīng)被開發(fā)的科學應(yīng)用領(lǐng)域主要有：飛行器、機器人、傳感器、醫(yī)療等，但大都還處于實驗室階段。

根據(jù)形變產(chǎn)生的機理不同，EAP可以分為電子型和離子型兩大類。電子型EAP通過分子尺寸上的靜電力(庫侖力)驅(qū)動，因為體系不需要保持在濕態(tài)環(huán)境下，也被稱為干驅(qū)動體系。這一類材料主要包括電介質(zhì)彈性體、鐵電聚合物、電致伸縮接枝彈性體等。離子型EAP通過離子和溶劑的移動而產(chǎn)生驅(qū)動，因為體系需在濕態(tài)環(huán)境下工作，也稱為濕驅(qū)動體系。這一類材料主要包括離子聚合物/金屬復合材料、離子聚合物凝膠、導電聚合物等。在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的這些EAP既具有具優(yōu)點，又存在需要克服的缺點。電子型EAP的優(yōu)點在于其可以在干燥環(huán)境下驅(qū)動；響應(yīng)速度快(響應(yīng)時間為微秒級)；在電場中可長時間的保持應(yīng)變狀態(tài)；能夠產(chǎn)生相對較大的驅(qū)動力；能量效率相對較高可達80％，缺點是需要很高的驅(qū)動電壓(5KV以上)；應(yīng)力和應(yīng)變相互妥協(xié)(應(yīng)變大則所產(chǎn)生應(yīng)力小、應(yīng)力大則應(yīng)變小)，而且應(yīng)變往往僅僅是伸展或收縮；不適合在低溫環(huán)境下工作。離子型EAP的優(yōu)點是在低電壓下的能夠產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)變，而不僅僅是伸展或收縮，通過施加電壓方向的調(diào)整可實現(xiàn)可控雙向驅(qū)動缺點響應(yīng)速度較慢(響應(yīng)時間為秒級)；彎曲應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力相對較小；能量效率相對較低(＜30％)；并且一般須使體系保持在濕態(tài)環(huán)境下工作；在電場中不能維持應(yīng)變狀態(tài)，而且很難得到均勻的材料。

如何將電子型與離子型兩種電EAP有機結(jié)合起來，設(shè)計出一種新型的電活聚合物性材料，使它既具有電子型EAP材料的優(yōu)點，又具有離子型EAP的優(yōu)點，那么這種電活聚合物性材料將具有廣闊的應(yīng)用前景。基于這一思路，本發(fā)明從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，制備出一種含有聚吡咯涂層復合的聚羥基丁酸酯膜電活性材料，其中聚吡咯是離子型EAP、而聚羥基丁酸酯是電子型EAP，通過涂層復合使聚吡咯涂層的聚羥基丁酸酯膜電活性材料兼具了離子型EAP和電子型EAP的優(yōu)點。

此外，聚羥基丁酸酯是一種以可再生資源如玉米、淀粉為原料的新型材料，完全不依靠天然石化資源，因此其發(fā)展不受世界石油、煤炭日益枯竭危機的制約。同時，還間接地減少石油化工對大氣污染及其廢棄物對環(huán)境的破壞。與傳統(tǒng)的電活性材料相比，聚羥基丁酸酯價格便宜，可以有效降低電活性材料產(chǎn)品的成本；聚羥基丁酸酯是可降解材料，取自自然，歸于自然，對環(huán)境沒有損害，是環(huán)保、低碳型材料；同時，聚羥基丁酸酯是熱塑性材料，加工較簡單，容易制成膜材料。

發(fā)明內(nèi)容