[發(fā)明專利]一種石墨烯基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410314148.2
• 申請(qǐng)日: 2014-07-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104031297A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 寧南英;田明;馬琴;張立群;劉蘇亭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): C08L7/00
• 分類號(hào): C08L7/00;C08L9/06;C08L9/02;C08L33/04;C08L13/00;C08K9/04;C08K9/10;C08K3/04;C08K5/14;C08K3/06
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 何清清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法，屬于導(dǎo)電填料摻雜型介電彈性體及制備技術(shù)，該介電彈性體在保持較高的電力學(xué)敏感因子(β)的同時(shí)，具有可調(diào)控的低介電損耗和高擊穿強(qiáng)度的性能，可以用于電活性聚合物驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)。

背景技術(shù)

介電彈性體是一種典型的電活性聚合物，它比普通彈性體具有較高的綜合性能，包括介電常數(shù)高、模量低、電致形變大、機(jī)電耦合系數(shù)高，并且響應(yīng)時(shí)間短、能量密度高、粘彈滯后損耗小。用介電彈性體開(kāi)發(fā)的電活性聚合物驅(qū)動(dòng)器在袖珍或微型機(jī)器人、微型航空器、磁盤驅(qū)動(dòng)器、平面擴(kuò)音器和假肢器官等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

影響導(dǎo)電填料摻雜型介電彈性體介電性和電力學(xué)性能的主要參數(shù)有：介電常數(shù)k、介電損耗、彈性模量Y、材料的電力學(xué)敏感因子β（β=k/Y）、驅(qū)動(dòng)電壓和電致形變、電擊穿強(qiáng)度。一般地說(shuō)，高性能的介電彈性體材料首先要獲得較高的電力學(xué)敏感因子(β)，即提高介電常數(shù)，降低彈性模量；同時(shí)要在低驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生大電致形變，還要有較低的介電損耗和高的電擊穿強(qiáng)度。

目前基于逾滲閾值理論，用摻雜導(dǎo)體或半導(dǎo)體的填料來(lái)制備介電彈性體是提高電力學(xué)敏感因子最有效的方法。其原理是，當(dāng)導(dǎo)電填料的添加量達(dá)到逾滲閾值時(shí)，彈性體會(huì)由絕緣體向?qū)w突變，當(dāng)導(dǎo)電填料的添加量接近逾滲閾值時(shí)，介電常數(shù)急劇增加；當(dāng)導(dǎo)電填料用量達(dá)到或超過(guò)逾滲閾值，形成導(dǎo)電通路，介電損耗大幅度增加，電擊穿強(qiáng)度也明顯降低。基于該理論可以獲得介電材料在逾滲閾值附近較高的介電常數(shù)，而此時(shí)導(dǎo)電填料的用量相對(duì)較低，因此避免了填料的高填充導(dǎo)致的彈性模量增加和力學(xué)性能的下降，有利于電力學(xué)敏感因子的提高。但存在的技術(shù)問(wèn)題是，在逾滲閾值附近，材料介電損耗會(huì)大幅度增加，導(dǎo)致電擊穿強(qiáng)度降低，容易引起電擊穿現(xiàn)象，如中國(guó)專利申請(qǐng)“含有碳納米管的高介電復(fù)合材料及其制備方法”（專利申請(qǐng)?zhí)?3104776.9），提出使用碳納米管（CNT）和鈦酸鋇（BaTiO₃）和有機(jī)聚偏氟乙烯（PVDF）用熱壓法成型法制備一種介電復(fù)合材料，該介電復(fù)合材料雖然介電常數(shù)可以達(dá)450（100?Hz），但是由于在逾滲閾值附近介電損耗明顯增加，導(dǎo)致電擊穿強(qiáng)度降低，使用安全性不好。

本申請(qǐng)人申請(qǐng)的中國(guó)專利?“一種高介電常數(shù)低介電損耗的石墨烯彈性體納米復(fù)合材料及其制備方法”（專利申請(qǐng)?zhí)?01310128269.3），提出在橡膠乳液中加入氧化石墨烯水溶液使氧化石墨烯以分子水平分散在橡膠基體中，然后采用原位熱還原方法將氧化石墨烯還原為石墨烯，形成石墨烯片層包裹膠乳粒子的三維隔離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該專利降低了彈性體復(fù)合材料的逾滲閾值（0.25?vol.%），提高了彈性體復(fù)合材料的介電常數(shù)，降低了模量，但由于片狀氧化石墨烯在彈性體基體中存在一定程度的堆積團(tuán)聚現(xiàn)象，不僅影響逾滲閾值的進(jìn)一步降低，而且介電損耗仍較高（在100?Hz下其介電損耗達(dá)2.02），電擊穿強(qiáng)度較低，仍不利于在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

綜上可見(jiàn)，基于逾滲閾值理論的導(dǎo)電填料摻雜型介電彈性體，在獲得需要的電力學(xué)敏感因子β（β=k/Y）前提下，根據(jù)不同需求，兼顧低介電損耗和高擊穿強(qiáng)度，提高安全性是該類介電彈性體需要解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種石墨烯基介電彈性體復(fù)合材料及其制備方法。通過(guò)對(duì)介電填料表面可控地包覆有機(jī)層，不僅解決了石墨烯在彈性體基體中的分散，而且可以有效地降低材料的介電損耗和彈性模量，提高電擊穿強(qiáng)度和絕緣性能，在保證介電彈性體較高介電常數(shù)的同時(shí)，兼具可調(diào)控的低介電損耗和高擊穿強(qiáng)度，進(jìn)而提高了復(fù)合材料的安全性。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的石墨烯基介電彈性體復(fù)合材料，包括彈性體基體，氧化石墨烯介電填料和交聯(lián)劑，其中，在每100質(zhì)量份的彈性體基體中，分散填充有0.1-5質(zhì)量份的介電性填料和0.5-5質(zhì)量份交聯(lián)劑，所述的氧化石墨烯基介電填料的表層為聚多巴胺有機(jī)層，有機(jī)層平均厚度在1.2-4.1?nm，氧化石墨烯介電填料以納米水平層狀分散在彈性體基體中，形成聚多巴胺有機(jī)層包覆的氧化石墨烯片層包裹膠乳粒子的隔離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的介電彈性體復(fù)合材料，所述的彈性體基體為橡膠，包括天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠或羧基丁腈橡膠。

本發(fā)明的介電彈性體復(fù)合材料，所述的氧化石墨烯是用公知的方法制備的片狀氧化石墨烯填料（平均厚度均在納米級(jí)），優(yōu)選的平均厚度為0.8-1.3?nm。