一种基于静电吸附的柔性离合器及其制备方法

1.本发明涉及柔性离合器技术领域，尤其涉及的是一种基于静电吸附的柔性离合器及其制备方法。


背景技术：

2.柔性离合器为一种平板电容器型的静电吸附装置，该柔性离合器通常由正极板、介电薄膜和负极板组成，当正负极板间存在电势差时，便会产生静电吸引。
3.由于静电吸附的柔性离合器具有结构简单、能耗少、力密度可控和适应性高等优点，目前已被广泛应用于抓取器、爬墙机器人、人工肌肉和可穿戴设备等方向。
4.其中，柔性离合器的核心为介电薄膜，其介电常数、击穿场强和厚度等参数直接决定了静电吸附力的大小。
5.目前广泛使用的介电材料有聚酰亚胺(pi)、双向拉伸聚丙烯(bopp)和luxprint(luxprint为杜邦公司生产的一种电子浆料，内含高介电常数的钛酸钡颗粒，在静电吸附电极制备时，可使用流延法将luxprint浆料涂布在电极层上，而后固化形成介电薄膜)等。
6.其中，p(vdf-trfe-ctfe)为聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯的简称，dmf为溶剂n，n-二甲基甲酰胺的简称,pi为聚酰亚胺的简称，bopp为双向拉伸聚丙烯的简称。
7.然而，这些介电材料介电常数均不高，在较低电压下无法获得理想的力密度，而在高压下使用又增加了装置的风险性。
8.因此，现有技术还有待改进。


技术实现要素：

9.发明人发现，现有技术中的柔性离合器的介电材料的介电常数不高，进而导致在较低电压下柔性离合器无法获得理想的力密度问题。
10.本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。本发明提出了一种基于静电吸附的柔性离合器制备方法，其中，包括步骤：
11.取mxene-dmf溶液于反应釜中，向反应釜中加入聚合物，得到复合溶液；
12.将复合溶液涂布在电极层上，烘干形成mxene/聚合物介电薄膜。
13.在一种实施方式中，所述聚合物为pvdf，或者所述聚合物为pvdf基聚合物的一种，所述pvdf基聚合物包括p(vdf-trfe)、p(vdf-ctfe)以及p(vdf-trfe-ctfe)。
14.在一种实施方式中，所述mxene的质量在mxene与聚合物的总质量中的占比为0-20％。
15.在一种实施方式中，所述电极层上连接设置有基体，所述基体包括双向拉伸聚丙烯薄膜层、聚酰亚胺薄膜层或其他柔性绝缘薄膜中的至少一层。
16.在一种实施方式中，所述基体包括双向拉伸聚丙烯薄膜层以及聚酰亚胺薄膜层，所述双向拉伸聚丙烯薄膜层与所述电极层贴合相接，所述聚酰亚胺薄膜层位于所述双向拉伸聚丙烯薄膜层远离所述电极层的一侧；
17.所述双向拉伸聚丙烯薄膜层的厚度为10-100μm；
18.所述聚酰亚胺薄膜层的厚度为10-100μm。
19.在一种实施方式中，所述电极层采用铝材料制作而成。
20.在一种实施方式中，所述复合溶液涂布在电极层上涂布厚度为10-100μm。
21.在一种实施方式中，还包括步骤：
22.向电极层施加电压，测试电极层与介电层之间在通电状态下的摩擦剪应力。
23.进一步地，所述向电极层施加电压，测试电极层与介电层之间在通电状态下的摩擦剪应力的步骤具体包括以下步骤：
24.将具有mxene/聚合物介电薄膜的电极层固定在测力平台的固定端，将另一电极层固定在测力平台的移动端；
25.施加电压将具有mxene/聚合物介电薄膜的电极层与另一电极层吸附在一起；
26.启动测力平台，以恒定速度向上拉动所述移动端。
27.本发明还提出了一种基于静电吸附的柔性离合器，其中，采用本发明所述的基于静电吸附的柔性离合器的制备方法制备得到。
28.本发明的有益效果：本发明公开了一种基于静电吸附的柔性离合器及其制备方法，其中该制备方法包括：取mxene-dmf溶液于反应釜中，向反应釜中加入聚合物，得到复合溶液；将复合溶液涂布在电极层上，烘干形成mxene/聚合物介电薄膜。该制备方法通过mxene-dmf溶液与聚合物形成的mxene/聚合物介电薄膜，具有较高的相对介电常数、击穿场强，通过该制备方法制备的柔性离合器的机械性能好、力密度高。
附图说明
29.图1是本发明中不同mxene含量的介电薄膜的相对介电常数对比图。
30.图2是本发明中不同mxene含量的介电薄膜的击穿场强对比图。
31.图3是本发明中不同mxene含量的介电薄膜的乘积εre2对比图。
32.图4是本发明中不同mxene含量的介电薄膜的摩擦剪应力对比图。
33.图5是本发明中柔性离合器的介电薄膜连接示意图。
34.图6是本发明中柔性离合器的某一具体实施例的结构示意图。
35.图7是本发明中制备方法的流程示意图。
36.附图标记：
37.100、电极层；200、mxene/聚合物介电薄膜；300、基体；
38.100a、正电极层；100b、负电极层；
39.320、聚酰亚胺薄膜层；310、双向拉伸聚丙烯薄膜层。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.基于现有技术中存在的问题，如图1中所示，本实施例提供一种基于静电吸附的柔性离合器制备方法，包括步骤：
200～300℃，部分无明显熔点，高绝缘性能，103赫兹下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，属f至h级绝缘。
57.本发明通过在电极层100上设置有双向拉伸聚丙烯薄膜层310，双向拉伸聚丙烯薄膜层310上设置有聚酰亚胺薄膜层320，能够在保持电极层100的柔性，同时提高电极层100的抗拉性能。
58.较佳的，所述双向拉伸聚丙烯薄膜层的厚度为10-100μm；所述聚酰亚胺薄膜层的厚度为10-100μm。优选的，电极层100的厚度为70nm，双向拉伸聚丙烯薄膜层310的厚度为25μm；聚酰亚胺薄膜层320的厚度为45μm。应当理解的是，电极层100、双向拉伸聚丙烯薄膜层310以及聚酰亚胺薄膜层320的厚度并不限于上述的70nm、25μm以及45μm，电极层100、双向拉伸聚丙烯薄膜层310以及聚酰亚胺薄膜层320的厚度还可以是其他情形，此处不作限制。
59.在一种具体的实施方式中，所述电极层100采用铝材料制作而成。
60.具体来说，电极层100采用铝材料制作而成，铝电极层的厚度优选为70nm。应当理解的是，所述电极层100并不限于上述的采用铝材料制作而成，还可以是其他情形，此处不作限制。
61.在一种具体的实施方式中，所述复合溶液涂布在电极层上涂布厚度为10-100μm。
62.具体来说，复合溶液涂布在电极层上涂布厚度为10-100μm能够形成厚度适中的mxene/聚合物介电薄膜。理论上讲，mxene/聚合物介电薄膜的厚度越薄，越容易获得大的吸附力，但也容易被击穿。
63.例如，聚合物为p(vdf-trfe-ctfe)时，复合溶液涂布在电极层上涂布厚度为40μm能够形成厚度适中的mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜，此时烘干后的mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的厚度为17μm。
64.在一种具体的实施方式中，所述基于静电吸附的柔性离合器制备方法还包括：向电极层100施加电压，测定电极层与介电层之间在通电状态下的摩擦剪应力测试。
65.所述向电极层施加电压，测定电极层与介电层之间在通电状态下的摩擦剪应力测试具体包括以下步骤：
66.将具有mxene/聚合物介电薄膜200的电极层100固定在测力平台的固定端，将另一电极层固定在测力平台的移动端；
67.施加电压将具有mxene/聚合物介电薄膜200的电极层100与另一电极层吸附在一起；
68.启动测力平台，以恒定速度向上拉动所述移动端。
69.具体来说，摩擦剪应力测试之前还包括介电薄膜的相对介电常数的测试以及击穿场强的测试。
70.例如，聚合物为p(vdf-trfe-ctfe)时，电极层采用铝材料制作而成，其厚度为70nm，mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的相对介电常数的测试具体如下：
71.使用agilent 4980a数字电桥在20hz，30-100℃下测定介电薄膜的相对介电常数。
72.mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的击穿场强的测试具体如下：
73.采用trek 20/20c
±
20kv高压放大系统，升压速度为500v s-1
，测试30-100℃(升温梯度为10℃)下介电薄膜的击穿场强。
74.对于同一温度下的同一介电薄膜，随机选择5个测试点进行测试，选择击穿场强最
大值用于后续分析。
75.mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的摩擦剪应力测试具体如下：
76.结合图6中所示，将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的正电极层100a固定在测力平台(zhiqu-990b)的固定端，其中负电极层100b与50n力传感器末端相连接，且力传感器固定在测力平台的移动端；
77.通电施加电压，将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的正电极层100a与负电极层100b吸附在一起；
78.启动测力平台，以10mm min-1
的恒定速度向上拉动测力平台(zhiqu-990b)的移动端，即平行于正电极层100a与负电极层100b的接触面方向拉动。
79.其中，力传感器与daq连接，在电脑端labview软件上转换为数据显示。
80.其中，在测试mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的摩擦剪应力时，正电极层100a以及mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜可以通过聚酰亚胺加热片进行加热，如将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的正电极层100a固定在测力平台(zhiqu-990b)的固定端，且在正电极层100a的背面贴附一块铝板，铝板上贴附设置有聚酰亚胺加热片，通过聚酰亚胺加热片向正电极层100a及介电层200进行加热。
81.摩擦剪应力fs计算公式
82.其中摩擦剪应力fs由介电薄膜的相对介电常数εr以及击穿场强平方e2的乘积εre2决定。
83.针对每一种介电薄膜，根据上述的介电薄膜的相对介电常数εr对击穿场强平方εre2进行计算，最后选择能使每种介电薄膜的εre2达到最大的温度点。
84.本发明还提出了一种基于静电吸附的柔性离合器，其中，采用如上所述的基于静电吸附的柔性离合器的制备方法制备得到。
85.下面通过具体的实施例对本发明作进一步地详细说明。
86.实施例1
87.一、介电薄膜的制备：
88.将聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(p(vdf-trfe-ctfe))粉末与溶剂n，n-二甲基甲酰胺(dmf)按1g：7ml的比例混合，待p(vdf-trfe-ctfe)完全溶解后，将溶液涂布在电极层上，涂布的厚度为40μm，在100℃下加热1h直至dmf完全挥发，形成p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜，如图5所示。
89.从电极层上撕取一小片p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜用于相对介电常数和击穿场强测定，其结果如图1以及2中所示，如图1所示，完全由p(vdf-trfe-ctfe)形成的介电薄膜在常温下的介电常数约为43，随着温度的升高有小幅度上升。如图2所示，温度越高，完全由p(vdf-trfe-ctfe)形成的介电薄膜的击穿场强持续下降。
90.其中，电极层采用铝材料制作而成，电极层的背面连接设置有基体，基体包括聚酰亚胺薄膜层(pi薄膜层)以及双向拉伸聚丙烯薄膜层(bopp薄膜层)，电极层、bopp薄膜层以及pi薄膜层依次层叠设置。
91.二、柔性离合器的制备：
92.如图6所示，将具有p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的电极层切成长条状，形成第一电
极层；设置与第一电极层适配的第二电极层，可以是，第一电极层为正电极层，第二电极层为负电极层，也可以是，第二电极层为正电极层，第一电极层为负电极层。
93.其中，第一电极层以及第二电极层上均设置有bopp薄膜层，bopp薄膜层背部设置有pi薄膜层，pi薄膜层的厚度优选为45μm，bopp薄膜层结合pi薄膜层，能够确保电极层的柔性，同时能够提高电极层的抗拉性能。
94.三、摩擦剪应力测试：
95.计算介电薄膜的乘积εre2，如图3所示，对于p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜，在30℃下的数值最高，其εre2为6.34
×
106mv
2 m-2
。因此在室温下测试p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的摩擦剪应力，施加电压为交流电，其交流电为方波、10hz，从50v开始测试，每次增加50v，直至p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜完全击穿，其结果如图4所示，在800v下，获得最高的力密度，其力密度为38.58n cm-2
。
96.实施例2
97.一、介电薄膜的制备：
98.取适量mxene-dmf溶液于反应釜中，将p(vdf-trfe-ctfe)加入mxene-dmf溶液，并使用超声震荡处理2h，辅助纳米片分散，待混合物完全混合均匀后得到复合溶液，mxene的质量占mxene与p(vdf-trfe-ctfe)的总质量的0.5％。
99.将复合溶液涂布在电极层上，涂布的厚度为40μm，在100℃下加热1h直至dmf完全挥发，形成mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜，由图1及图2所示，在100℃下，mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的相对介电常数达到1254，而击穿场强与同条件下的p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜几乎一致。
100.二、柔性离合器的制备：
101.如图6所示，参照实施例1，将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的电极层切成长条状，形成第一电极层；设置与第一电极层适配的第二电极层。
102.三、摩擦剪应力测试：
103.如图3所示，在100℃下，其乘积εre2最高，乘积εre2达到6.58
×
106mv
2 m-2
，因此在100℃下进行摩擦剪应力测试，其余条件通实施例1一致，如图4所示，在400v下，该mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜获得最高的力密度，为39.52n cm-2
。
104.实施例3
105.一、介电薄膜的制备：
106.制备mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜，
107.mxene的质量占mxene与p(vdf-trfe-ctfe)的总质量的0.1％，制备方法参照实施例2。
108.二、柔性离合器的制备：
109.如图6所示，参照实施例1，将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的电极层切成长条状，形成第一电极层；设置与第一电极层适配的第二电极层。
110.三、摩擦剪应力测试：
111.如图3所示，在80℃下，其乘积εre2最高，因此在80℃下进行摩擦剪应力测试，其余条件同实施例1一致，如图4所示，在400v下，该mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜获得最高的力密度，为66.64ncm-2
。
112.实施例4
113.一、介电薄膜的制备：
114.制备mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜，
115.mxene的质量占mxene与p(vdf-trfe-ctfe)的总质量的1.5％，制备方法参照实施例2。
116.二、柔性离合器的制备：
117.如图6所示，参照实施例1，将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的电极层切成长条状，形成第一电极层；设置与第一电极层适配的第二电极层。
118.三、摩擦剪应力测试：
119.如图3所示，在70℃下，其乘积εre2最高，因此在80℃下进行摩擦剪应力测试，其余条件同实施例1一致，如图4所示，在400v下，该mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜获得最高的力密度，其力密度为85.61n cm-2
。
120.实施例5
121.一、介电薄膜的制备：
122.制备mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜；
123.mxene的质量占mxene与p(vdf-trfe-ctfe)的总质量的2％，制备方法参照实施例2。
124.如图1及图2所示，该mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜在100℃下，其相对介电常数达到2045，而击穿场强与同条件下的p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜几乎一致。
125.二、柔性离合器的制备：
126.如图6所示，参照实施例1，将具有mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜的电极层切成长条状，形成第一电极层；设置与第一电极层适配的第二电极层。
127.三、摩擦剪应力测试：
128.如图3所示，在100℃下，其乘积εre2最高，因此在100℃下进行摩擦剪应力测试，其余条件同实施例1一致，如图4所示，在300v下，该mxene/p(vdf-trfe-ctfe)介电薄膜获得最高的力密度，其力密度为71.87n cm-2
。
129.综上所述，本发明提供一种基于静电吸附的柔性离合器及其制备方法，其中该制备方法包括：取mxene-dmf溶液于反应釜中，向反应釜中加入聚合物，得到复合溶液；将复合溶液涂布在电极层上，烘干形成mxene/聚合物介电薄膜。该制备方法通过mxene-dmf溶液与聚合物形成的mxene/聚合物介电薄膜，具有较高的相对介电常数、击穿场强，通过该制备方法制备的柔性离合器的机械性能好、力密度高。
130.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。