专利名称：一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料及其制法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于有机/无机复合材料领域，具体地说是涉及一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，及其制备方法和用途。
背景技术：
电致伸缩聚合物是在电场的作用下能产生伸缩运动，从而实现电能—机械能转换的一种聚合物材料。电致伸缩聚合物由于其电能—机械能转换中类似肌肉的运动形式被称为人工肌肉材料。在美国专利US6911764和US6940211中，公开了一种基于电致伸缩聚合物的电能—机械能转化的材料和器件，这种电致伸缩聚合物材料主要是以单组分的电致伸缩材料为基础，其驱动电压较高、输出应力，使得其性能与肌肉相比还有较大的差距。2005年，在美国举行的世界上首次人与基于电致伸缩聚合物的人工手臂的掰腕较量中，尽管人工手臂需要的启动电压高达数千伏，但结果仍以人类的胜利而告终。现有的电致伸缩聚合物的电致伸缩性能还有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的电致伸缩聚合物的驱动电压较高和输出应力较小的缺陷，从而提供一种具有较低驱动电压和较大输出应力电致伸缩聚合物层状纳米复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种上述电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的用途。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，其为一包括电致伸缩聚合物、纳米层状无机材料、有机插层剂、交联剂、催化剂、质子化剂在内的混合物在40～120℃固化得到的厚为10～1000微米的膜状材料，然后经过一维拉伸取向而得的膜层；在垂直于膜平面的方向施加10～100V/μm的电场，能在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的应变。
本发明提供一种上述电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的制备方法，包括如下的步骤1)将电致伸缩聚合物100重量份，纳米层状无机材料0.1～20重量份，有机插层剂0.1～20重量份，交联剂1～5重量份，催化剂0.01～0.2重量份，质子化剂0.2～5重量份混和均匀后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃进行1～10个小时固化反应，得到膜厚为10～1000微米的复合材料膜层；所述的电致伸缩聚合物为硅橡胶或丙烯酸酯橡胶的低聚物；所述的纳米层状无机材料为50～1000纳米尺寸的层状绝缘体材料、层状半导体材料或层状导体材料；优选的，所述的层状绝缘材料为蒙脱土；所述的层状半导体材料为二硫化钼；所述的层状导电材料为层状石墨；所述的有机插层剂为有机胺，例如十六烷基三甲基溴化铵、十六胺或三乙醇胺；所述的交联剂为正硅酸乙酯、苯甲酸胺或1，2-丙二胺；所述催化剂为二烷基二羧酸锡；所述的质子化剂为盐酸、磷酸或硫酸；2)将步骤1)得到的复合材料膜层沿一维方向拉伸取向，使复合材料膜层沿拉伸方向取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料。
本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料通过在电致伸缩聚合物中加入蒙脱土、二硫化钼或层状石墨，大幅度地提高了复合材料的力学性能和加工性能；由于取向层状无机材料产生感应电场，能显著改善电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的电驱动性能。在垂直于膜平面的方向施加10～100V/μm的电场，能在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的应变；去掉电场后，形变能很快回复。即本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料具有在外加电场驱动下，形变可逆的性质。
本发明提供的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，可以应用于与人工肌肉相关的电驱动、泵和传感器领域，如将所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，通过旋转涂膜或喷涂的方法在两面涂覆碳基导电胶，得到两面为导电胶、中间为本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的三明治结构的人工肌肉材料，这种三明治结构通过拉伸剪切作用使纳米片层结构在电致伸缩聚合物层状纳米复合材料中沿平行与拉伸方向取向。对三明治结构施加电场强度10～100V/μm的电场，可以使电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的形变，从而输出机械能。
与现有技术相比，本发明提供的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的优点在于其制备方便，并降低了驱动电压，在较低的驱动电压下可以较大输出应力。
具体实施例方式
实施例1将粒径为1000纳米的钠基蒙脱土2g加入到38ml蒸馏水中，在60～70℃下剧烈搅拌，形成稳定的悬浮体系。将0.2g十六烷基三甲基溴化胺、1g浓度为37％的浓盐酸和10ml水混合，制得季胺盐水溶液。剧烈搅拌的条件下，将上述季胺盐水溶液缓慢滴加到蒙脱土的水溶液中。过滤，水洗滤渣至滤液无氯离子，将滤渣干燥研磨得到有机蒙脱土。将该有机蒙脱土强烈搅拌下分散在200克质量浓度为20wt％聚甲氧基硅氧烷的四氢呋喃溶液中，加入交联剂正硅酸乙酯0.4g，催化剂二烷基二羧酸锡0.01g，混和均匀。将此混和液在石英基底涂膜，在50～60℃条件下固化10小时，得到膜厚为10微米的纳米复合材料膜。将该复合材料膜层进行一维50～100％拉伸取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料I。
将该电致伸缩聚合物层状纳米复合材料I，通过旋转涂膜或喷涂的方法在膜的两面涂覆碳基导电胶，得到两面为导电胶、中间为本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料I的三明治结构的人工肌肉材料，这种三明治结构通过拉伸使纳米片层结构在电致伸缩聚合物层状纳米复合材料中沿平行与拉伸方向取向。对三明治结构施加电场强度10～100V/μm的电场，可以使电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在垂直于电场和拉伸的方向产生1～50％的形变，从而输出机械能。从而可见，本发明提供的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的驱动电压较低，输出应力较大。
实施例2将粒径为1000纳米的钠基蒙脱土20g加入到38ml蒸馏水中，在60～70℃下剧烈搅拌，形成稳定的悬浮体系。将20g三乙醇胺、5g浓度为98％的硫酸和10ml水混合，制得季胺盐水溶液。剧烈搅拌的条件下，将上述季胺盐水溶液缓慢滴加到蒙脱土的水溶液中。过滤，水洗滤渣至滤液无氯离子，将滤渣干燥研磨得到有机蒙脱土。将该有机蒙脱土强烈搅拌下分散在1000克质量浓度为10wt％丙烯酸酯橡胶的四氢呋喃溶液中，加入交联剂苯甲酸胺5g，催化剂二烷基二羧酸锡0.01g，混和均匀。将此混和液在石英基底涂膜，在室温条件下溶剂缓慢挥发后，再加热至70℃固化5小时，得到膜厚为1000微米的纳米复合材料膜。将该复合材料膜层进行一维50～200％拉伸取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料II。
将该电致伸缩聚合物层状纳米复合材料II，通过旋转涂膜或喷涂的方法在膜的两面涂覆碳基导电胶，得到两面为导电胶、中间为本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料II的三明治结构的人工肌肉材料，这种三明治结构通过拉伸剪切作用使纳米片层结构在电致伸缩聚合物层状纳米复合材料中沿平行与拉伸方向取向。对三明治结构施加电场强度10～100V/μm的电场，可以使电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的形变，从而输出机械能。
实施例3将2.0克二硫化钼中在氩气保护的条件下加入20ml正丁基锂的四氢呋喃溶液中，搅拌1小时后滴加500ml去离子水中。过滤，将滤渣干燥研磨得到有机层状二硫化钼。将该有机蒙脱土强烈搅拌下分散在200克质量浓度为20wt％聚甲氧基硅氧烷的四氢呋喃溶液中，加入交联剂正硅酸乙酯0.4g，催化剂二烷基二羧酸锡0.01g，混和均匀。将此混和液在石英基底涂膜，在50～60℃条件下固化10小时，得到膜厚为10微米的纳米复合材料膜。将该复合材料膜层进行一维50～100％拉伸取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料III。
将该电致伸缩聚合物层状纳米复合材料III，通过旋转涂膜或喷涂的方法在膜的两面涂覆碳基导电胶，得到两面为导电胶、中间为本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料III的三明治结构的人工肌肉材料，这种三明治结构通过拉伸使纳米片层结构在电致伸缩聚合物层状纳米复合材料中沿平行与拉伸方向取向。对三明治结构施加电场强度10～50V/μm的电场，可以使电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在垂直于电场和拉伸的方向产生1～50％的形变，从而输出机械能。
实施例4将2.0克层状石墨材料加入20ml浓硫酸中，超声搅拌1小时后得到离子化的层状石墨。将0.2g季胺盐、1g浓度为37％的浓盐酸和10ml水混合，制得季胺盐水溶液。剧烈搅拌得条件下将层状石墨的水溶液缓慢滴加季胺盐的水溶液中。过滤，水洗至无氯离子和硫酸根离子，将滤渣干燥研磨得到有机蒙脱土。将该有机蒙脱土强烈搅拌下分散在1000克质量浓度为10wt％丙烯酸酯橡胶的四氢呋喃溶液中，加入交联剂1，2-丙二胺5g，催化剂二烷基二羧酸锡0.01g，混和均匀。将此混和液在石英基底涂膜，在室温条件下溶剂缓慢挥发后，再加热至70℃固化5小时，得到膜厚为1000微米的纳米复合材料膜。将该复合材料膜层进行一维50～200％拉伸取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料IV。
将该电致伸缩聚合物层状纳米复合材料IV，通过旋转涂膜或喷涂的方法在膜的两面涂覆碳基导电胶，得到两面为导电胶、中间为本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料IV的三明治结构的人工肌肉材料，这种三明治结构通过拉伸剪切作用使纳米片层结构在电致伸缩聚合物层状纳米复合材料中沿平行与拉伸方向取向。对三明治结构施加电场强度10～50V/μm的电场，可以使电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的形变，从而输出机械能。
权利要求
1.一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，其为通过下述方法得到的1)将电致伸缩聚合物100重量份，纳米层状无机材料0.1～20重量份，有机插层剂0.1～20重量份，交联剂1～5重量份，催化剂0.01～0.2重量份，质子化剂0.2～5重量份混和均匀后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃进行1～10个小时固化反应，得到膜厚为10～1000微米的复合材料膜层；所述的电致伸缩聚合物为硅橡胶或丙烯酸酯橡胶的低聚物；所述的纳米层状无机材料为50～1000纳米尺寸的层状绝缘体材料、层状半导体材料或层状导体材料；所述的有机插层剂为有机胺；所述的交联剂为正硅酸乙酯、苯甲酸胺或1，2-丙二胺；所述催化剂为二烷基二羧酸锡；所述的质子化剂为盐酸、磷酸或硫酸；2)将步骤1)得到的复合材料膜层沿一维方向拉伸取向，使复合材料膜层沿拉伸方向取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，其特征在于所述的层状绝缘材料为蒙脱土；所述的层状半导体材料为二硫化钼；所述的层状导电材料为层状石墨。
3.如权利要求1所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，其特征在于所述的有机胺为十六烷基三甲基溴化胺、十六胺或三乙醇胺。
4.一种权利要求1所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的制备方法，包括如下的步骤1)将电致伸缩聚合物100重量份，纳米层状无机材料0.1～20重量份，有机插层剂0.1～20重量份，交联剂1～5重量份，催化剂0.01～0.2重量份，质子化剂0.2～5重量份混和均匀后，在石英基底上涂膜，然后在40～120℃进行1～10个小时固化反应，得到膜厚为10～1000微米的复合材料膜层；所述的电致伸缩聚合物为硅橡胶或丙烯酸酯橡胶的低聚物；所述的纳米层状无机材料为50～1000纳米尺寸的层状绝缘体材料、层状半导体材料或层状导体材料；所述的有机插层剂为有机胺；所述的交联剂为正硅酸乙酯、苯甲酸胺或1，2-丙二胺；所述催化剂为二烷基二羧酸锡；所述的质子化剂为盐酸、磷酸或硫酸；2)将步骤1)得到的复合材料膜层沿一维方向拉伸取向，使复合材料膜层沿拉伸方向取向，得到本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料。
5.如权利要求4所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述的层状绝缘材料为蒙脱土；所述的层状半导体材料为二硫化钼；所述的层状导电材料为层状石墨。
6.如权利要求4所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述的有机胺为十六烷基三甲基溴化胺、十六胺或三乙醇胺。
7.权利要求1～3之一所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在人工肌肉相关的电驱动、泵和传感器领域的应用。
8.如权利要求7所述的用途，其特征在于将权利要求1～3之一所述的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，通过旋转涂膜或喷涂的方法在两面涂覆碳基导电胶，得到两面为导电胶、中间为电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的三明治结构的人工肌肉材料，这种三明治结构通过拉伸剪切作用使纳米片层结构在电致伸缩聚合物层状纳米复合材料中沿平行与拉伸方向取向；对三明治结构施加电场强度10～100V/μm的电场，可以使电致伸缩聚合物层状纳米复合材料在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的形变，从而输出机械能。
全文摘要
本发明涉及一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料，其为将电致伸缩聚合物、纳米层状无机材料、有机插层剂、交联剂、催化剂、质子化剂混合后，在40～120℃固化，得到的厚为10～1000微米的膜状材料进一步拉伸取向而得到的。在垂直于该复合材料的膜平面的方向施加10～100V/μm的电场，能在垂直于电场和拉伸的方向产生1～100％的应变；去掉电场后，形变能很快回复。即本发明的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料具有在外加电场驱动下，形变可逆的性质，可以应用于与人工肌肉相关的电驱动、泵和传感器领域。与现有技术相比，本发明提供的电致伸缩聚合物层状纳米复合材料的优点在于其制备方便，并降低了驱动电压。
文档编号C08J5/18GK101077930SQ200610080969
公开日2007年11月28日 申请日期2006年5月26日 优先权日2006年5月26日
发明者魏志祥, 江雷 申请人:国家纳米科学中心