一种交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种介电弹性体材料，特别涉及一种交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]新型高性能电驱动材料可将电能转化为机械能，在智能驱动及生物医疗领域有着广泛的应用前景。与压电陶瓷及记忆合金相比，电活性聚合物具有低成本、结构易调控等优势，引起了特别关注。
[0003]介电弹性体是具有高介电常数(K)的弹性体材料，在介电弹性体膜上下表面涂覆电极并施加外电场后，会发生约10%?40%的形变而改变其形状或体积，这个过程伴随着应力和应变的产生，从而将电能转化为机械能。介电弹性体具有机电转换效率高、形变大及响应迅速等优异综合性能，在驱动器、发电机及传感器等方面有实际应用。
[0004]对于介电弹性体来说，其电致形变大小正比于介电常数K及加在其上的电场强度的平方，因此，提高介电常数K及击穿强度Eb这两个指标是改善介电弹性体执行器效率的重要途径。同时，材料的弹性模量Y也影响着电致形变的大小，通常弹性模量越小，材料发生形变所需的应力就越小，所需的驱动电压也就越低。因此，制备同时具备较高介电常数以及较低弹性模量的弹性体材料，是获得性能优异，即低驱动电压、大电致形变特性的介电弹性体材料之关键所在。
[0005]聚偏氟乙烯系共聚物材料具有较高的介电常数值，然而其玻璃化转变温度较高，弹性模量值也较大，因此直接作为介电弹性体使用时不能获得较大的电致形变。如何对其进行复合改性是相关领域的研究热点。一般的，通过添加无机高介陶瓷到聚合物基体中可提高复合材料的K值，但是由于复合材料的弹性模量也会同时增加，因此驱动形变增加不明显；其次，通过添加有机导电体可大幅提高复合材料的K值，然而导电率的增大使得复合材料的Eb大大降低，同时漏导损耗增加，导致形变增加亦不明显。
【发明内容】
[0006]为了克服现有介电弹性体材料驱动电压较高、电致形变较小的不足，本发明的目的是提供了一种交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料及其制备方法，该方法采用自行合成的含有内双键的聚偏氟乙烯系共聚物为基体，功能交联剂分子为交联单元，可以获得低驱动电压、大电致形变的全有机介电弹性体复合材料;本发明涉及到的介电弹性体材料在低电场下具有较大形变/位移(约30-300%)，有望应用于制备人工肌肉、微流控栗/阀、扬声器及灵敏触觉显示等机-电转换驱动器件。
[0007]为了达到上述目的，本发明的技术方案及途径为:
[0008]—种交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料，其原料组分按质量份数计算包括:60-90份的氟聚合物基体、8-40份重量的功能交联剂和1-3份的催化剂。
[0009]所述氟聚合物基体为聚偏氟乙烯(PVDF)系共聚物，包括由但不限于偏氟乙烯(VDF)及三氟乙烯(TrFE)、三氟氯乙烯(CTFE)、四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)、全氟乙丙烯(FEP)、六氟异丁烯(TrFE)、全氟代烷基乙烯基醚(TrFE)单体，其中的两种或两种以上单体通过共聚反应制得;共聚反应制得的共聚物包括聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)共聚物、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯)共聚物、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物等;氟聚合物基体亦可由上述共聚物中的一种或一种以上聚合物组成。
[00?0]所述功能交联剂分子，其分子量在100?100000之间，交联剂分子主链为柔性低模量结构，分子化学结构包括但不限于聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚异戊二烯、聚氨酯、聚醚类聚合物及其衍生物。交联剂分子亦包含可与氟聚合物基体中的内双键发生加成反应的极性基团，包括但不限于疏基、氣基、竣基等。
[0011]所述催化剂，是含有活性羟基的小分子或大分子，用于加速功能交联剂分子与氟聚合物基体之间的化学交联反应，典型的包括但不限于水、乙醇、异丙醇等含羟基化合物中的一种或几种。
[0012]—种交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料的制备方法，包括下述步骤:
[0013](a)向烧瓶中加入50-120份溶剂，溶剂为强极性溶剂，包括乙酸乙酯或四氢呋喃或二甲基甲酰胺，然后加入60-90份含内双键的聚偏氟乙烯系共聚物，强力搅拌30min;
[0014](b)待(a)溶解后，强力搅拌下逐滴加入8-40份功能交联剂分子，室温下继续搅拌20-30min ；然后逐渐滴入1_3份催化剂，40-60 °C下搅拌反应8_10h ；
[0015](C)待(b)降至室温后，将反应溶液过滤，随即在玻璃平板上流延，玻璃平板置于均匀热环境中，逐步升温至60-100°C，干燥4_8h除去溶剂，玻璃平板上即制得交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料膜；
[0016]所述的加入量份数均为质量份数。
[0017]本发明的有益结果是:由于采用具有功能基团的柔性低模量交联剂分子与含内双键的高介电常数氟共聚物进行交联反应，制备的复合材料不仅受益于引入极性的功能基团(如氨基、羧基、巯基等)使得氟聚合物K值得到提高，而且由于柔性链的间隔作用，使得复合材料的弹性模量值大大降低，电致形变/位移值大大提高。
【附图说明】
[0018]图1是以氨基硅氧烷功能交联剂分子为例，制备交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料的过程示意图，包括含内双键氟共聚物的合成及含氨基功能交联剂分子加成交联含内双键氟共聚物的化学过程。
[0019]图2是实施例1中介电弹性体复合材料的机-电转换性能表。
【具体实施方式】
[0020]下面结合【具体实施方式】对本发明作详细说明。
[0021 ] 实施例一
[0022]本实施例其原料组分按质量份数计算包括90份的氟聚合物基体、9份重量的功能交联剂和I份的催化剂。
[0023]本实施例制备方法，包括下述步骤:向200ml的烧瓶中加入10ml乙酸乙酯，然后加入9g含内双键的聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)，强力搅拌30min;待溶解后，强力搅拌下逐滴加入0.9g氨基硅氧烷功能交联剂分子(分子量约为2000)，室温下继续搅拌30min;然后逐渐滴Λ0.1g催化剂水，60 V下搅拌反应Sh;待降至室温后，将反应溶液过滤，随即在玻璃平板上流延，玻璃平板置于均匀热环境中，逐步升温至80°C，干燥Sh除去溶剂。玻璃平板上即制得氨基硅氧烷加成交联氟聚合物基介电弹性体复合材料膜。
[0024]经测试，所制交联型氟聚合物基介电弹性体复合材料膜的介电常数值为16，形变值比未交联氟聚合物提高约300%。图2列出了不同含量氨基硅氧烷分子交联氟聚合物基介电弹性体复合材料的