[發(fā)明專(zhuān)利]包含離子型超分子結(jié)構(gòu)體的介電型電活性聚合物

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380072305.7
• 申請(qǐng)日: 2013-12-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104981516A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安妮·拉德高·斯科夫;S·希爾斯特德;L·G·布達(dá)羅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 丹麥科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C08L83/04
• 分類(lèi)號(hào): C08L83/04
• 代理公司: 隆天知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 72003
• 代理人: 吳小瑛;張福根

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(ionic?interpenetrating?polymer?network)，其包括至少一種彈性體和離子型超分子結(jié)構(gòu)體(ionic?supramolecular?structure)，所述離子型超分子結(jié)構(gòu)體包含至少兩種化合物的反應(yīng)產(chǎn)物，其中所述化合物的每一種具有至少兩個(gè)官能團(tuán)，并且其中所述化合物能夠發(fā)生路易斯酸-堿反應(yīng)。本發(fā)明特別涉及用于具有高介電常數(shù)的電活性聚合物(EAP)的離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，所述離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)包含摻有離子型超分子結(jié)構(gòu)體的彈性體基質(zhì)。

發(fā)明背景

電活性聚合物(EAP)是在電場(chǎng)激勵(lì)下發(fā)生尺寸或形狀變化或當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)可逆地產(chǎn)生能量的聚合物。通常EAP在維持巨大受力作用的同時(shí)能夠進(jìn)行大幅度的變形(major?deformation)。

歸因于具有高介電常數(shù)的彈性體材料在例如介電型電活性聚合物(DEAP’s)中的用途，其發(fā)展在過(guò)去幾年吸引了越來(lái)越多的興趣。

介電型電活性聚合物是一種如下的材料：通過(guò)向夾在兩個(gè)電極之間的彈性體膜上施加靜電力在該材料中引起致動(dòng)(actuation)，該兩個(gè)電極在施加電場(chǎng)時(shí)擠壓彈性體。當(dāng)施加電壓時(shí)，靜電壓力施加在膜上，歸因于所施加的電場(chǎng)，厚度被降低且面積被擴(kuò)大。EAP的實(shí)例是介電彈性體。介電型電活性聚合物用作例如所謂的“人造肌肉”的致動(dòng)器以及用作能量收集(energy-harvesting)中的發(fā)電機(jī)。

然而，DEAP在其廣泛應(yīng)用中的缺點(diǎn)是高的操作電壓，其在致動(dòng)應(yīng)變需要高于2-3％時(shí)往往為幾千伏。可以通過(guò)減小彈性體膜的厚度，降低其材料的機(jī)械剛度或增加其相對(duì)介電常數(shù)來(lái)降低操作電壓。然而，厚度減小至小于5微米對(duì)于大量生產(chǎn)薄膜似乎不可能(Matysek等人，Proc.SPIE-EAPAD,San?Diego,p.76420D(2010))。在使用嵌段的特定油(block?specific?oil)作為增塑劑的三嵌段共聚物中已經(jīng)顯示了剛度的降低(Shankar等人,Macromol.Rapid?Comm.28,1142-1147(2007))。材料相對(duì)介電常數(shù)(ε^r)的增大可能導(dǎo)致高電能密度和降低的操作電壓。通過(guò)向可商購(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體中混入導(dǎo)電的聚(3-己基噻吩)顯示出介電常數(shù)的提高和剛度的減少(Carpi等人,Adv.Funct.Mater.18,235-241(2008))。提高介電常數(shù)的另一種方法是將具有高的永久偶極子的小分子附接或接枝到彈性體基質(zhì)中(Kussmaul等人,Adv.Funct.Mater.,2011,21,4589-4594)。

然而，現(xiàn)有技術(shù)的介電型電活性聚合物在0.1Hz下表現(xiàn)出只有約5-20的相對(duì)介電常數(shù)(ε_r)，為了在商業(yè)上具有吸引力，設(shè)想DEAP的能量密度應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高。因此，介電常數(shù)似乎是用于獲得具有高能量密度的DEAP的重要調(diào)諧參數(shù)。

發(fā)明目的

本發(fā)明的實(shí)施方式的目的是提供用作介電型電活性聚合物(DEAP)的離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，相比于現(xiàn)有技術(shù)的DEAP，其具有大大提高的相對(duì)介電常數(shù)，同時(shí)僅顯示小的介電損耗。

發(fā)明概述

本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提供離子型超分子結(jié)構(gòu)體并且將所述超分子結(jié)構(gòu)體摻入彈性體中，可以得到相對(duì)介電常數(shù)具有很大改善的離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，該離子型超分子結(jié)構(gòu)體包含至少兩種化合物的反應(yīng)產(chǎn)物，其中所述化合物的每一種具有至少兩個(gè)官能團(tuán)并且其中所述化合物能夠發(fā)生路易斯酸-堿反應(yīng)。

因此，在第一方面本發(fā)明涉及離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，其包括：

ⅰ)至少一種彈性體，其選自硅橡膠、氟硅橡膠、聚(甲基)丙烯酸酯橡膠、氯丁橡膠、聚丁二烯橡膠、聚(環(huán)氧乙烷)橡膠、聚(環(huán)氧丙烷)橡膠、聚氨酯橡膠及其混合物；和

ii)離子型超分子結(jié)構(gòu)體，其包含至少兩種化合物的反應(yīng)產(chǎn)物，其中所述化合物的每一種具有至少兩個(gè)官能團(tuán)并且其中所述化合物能夠發(fā)生路易斯酸-堿反應(yīng)。

在第二方面本發(fā)明涉及制備根據(jù)本發(fā)明的離子互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的方法，該方法包括步驟：

ⅰ)任選通過(guò)加熱將所述至少兩種化合物混合，以獲得所述離子型超分子結(jié)構(gòu)體；和

ⅱ)任選通過(guò)加熱將在步驟i)中得到的離子型超分子結(jié)構(gòu)體和至少一種彈性體混合。