一種衣康酸酯/異戊二烯共聚物型復合材料及作為介電彈性體的用途制造技術

一種衣康酸酯/異戊二烯共聚物型復合材料及作為介電彈性體的用途，屬于復合材料技術領域。通過不同比例的衣康酸酯與異戊二烯共聚來調控極性酯基團和烷氧基側鏈的密度，以及異戊二烯含量即碳碳雙鍵的含量，進而起到調控彈性體介電性能和力學性能的效果。該彈性體可通過硫磺硫化體系和過氧化物硫化體系交聯。可以在加工過程中采用衣康酸酯單體增塑來降低彈性體的模量。通過添加高介電填料，獲得高介電常數、低彈性模量的復合材料。這種復合材料可以在很低的電壓下獲得高電致形變。

【技術實現步驟摘要】
一種衣康酸酯/異戊二烯共聚物型復合材料及作為介電彈性體的用途
本專利技術涉及一種用于介電彈性體的衣康酸酯/異戊二烯共聚物型復合材料。特別涉及一種小驅動電壓下產生大電致形變的衣康酸酯/異戊二烯共聚物介電彈性體復合材料，屬于復合材料

技術介紹
介電彈性體是一種典型的電活性聚合物，在外加電場的作用下，介電彈性體可以產生驅動應變。并具有能量密度高，響應時間短，柔性好，有很高的電能機械能轉換效率的特點。介電彈性體在人工肌肉，能量轉換，航空航天，生物醫用等領域有廣闊的應用前景。自從RonPelrine等在“High-SpeedElectricallyActuatedElastomerswithStrainGreaterThan100％,‘Science’2000，287:836-839”報道了應變大于100％的高速電驅動彈性體，發現由涂覆在兩個柔性電極間的彈性體薄膜組成的驅動器，相比于其它電活性驅動器具有更好的電驅動性能，被認為是新一代的電活性驅動器。近年，介電彈性體的開發和應用已成為熱點。但是目前大型介電彈性體驅動器產品的開發和應用還有很多待解決的問題，首先是加工技術及裝置，如針對產生高電致形變的預應變設備；其次是安全因素，一般需要在高電壓下產生大形變，而高電壓對人類有較大危險性；還有介電彈性體的質量，如彈性體內部的缺陷等導致其隨著面積增加電性能或者力學性能的失效。以上因素極大限制了介電彈性體驅動器的發展。F.Car等在“StretchDielectricElastomerPerformance，‘Science’2010，330:1959-1761”中詳述了介電彈性體當前發展的問題及解決途徑。當前要從材料角度設計新材料降低驅動電壓，也就是說盡可能的提高介電彈性體材料在較低驅動電壓下產生較大驅動形變。近年來介電彈性體得到了廣泛的關注和研究，如硅橡膠、聚氨酯彈性體、異戊橡膠、氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、丁腈橡膠、聚酯橡膠等等。其中研究最為廣泛和最有前景的是硅橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯彈性體等。3M公司生產的VHB系列彈性體，基體為丙烯酸酯橡膠，能量密度高，在高度預應變條件下其電致形變量可超過380％。硅橡膠作為介電彈性體有許多優良的性能，其粘彈性低于丙烯酸酯橡膠，在高頻下損耗低。硅橡膠玻璃化轉變溫度低，可以在很大的溫度范圍下使用。在預應變下能產生超過100％的形變，低于丙烯酸酯橡膠。但是硅橡膠的介電常數偏低，需要在很高的電壓下才能產生大形變。聚氨酯彈性體由于具有較高的介電常數，驅動效果好，因此得到了比較廣泛的研究，但是其最大電致形變低限制了聚氨酯介電彈性體的應用。高性能介電彈性體的制備需綜合性能優異的介電彈性體，而電能機械能轉換的本質是由介電性能控制的，所以制備高性能介電彈性體以提高介電性能為主。通過填充高介電填料得到介電彈性體復合材料可大幅度提高介電彈性體的介電性能。基于固體或液體填料在彈性體中的分散，高介電無機填料(如鈮鎂酸鉛、鈦酸鋇等)填充橡膠基體可以將硅橡膠基體的介電常數提高數倍甚至更大。但是陶瓷填料的剛性大，會降低材料的柔性和韌性，不利于提高材料的應變響應和驅動響應。而導電填料填充和有機填料填充可以在接近愈滲值時產生較大的介電常數，填料用量小，可獲得高介電常數低模量介電彈性體。通過電場固化填充介電彈性體復合材料，使材料內部極性基團取向，極化程度增加可進一步增大介電常數。新的填料和新的制備方法是獲得高介電常數的有效方法。另外開發新的彈性體是介電彈性體發展的另一趨勢，由張立群等人開發的聚酯介電彈性體可在15.6kV/mm的電壓下產生11.9％的電致形變。本專利技術中所用的衣康酸酯的結構與丙烯酸酯相似。相當于甲基丙烯酸酯甲基上的一個氫原子被酯基取代，因此帶有兩倍于丙烯酸酯的酯基團，酯基團具有極性，可以被電場極化，產生介電性能，因此若用衣康酸酯構建介電彈性體材料有望得到比丙烯酸酯介電彈性體更高的介電常數。此前，聚衣康酸酯這種雙側鏈的結構已被廣泛研究，隨著側鏈上碳原子數的增加，其玻璃化溫度先下降后增加，側鏈碳原子數達到3個及以上時在較低溫度下側鏈就會獨立于主鏈運動，起到對聚合物增塑的作用，降低聚合物的模量，這對介電彈性體在低電壓下獲得高電致形變非常有利。通過引入共軛雙烯異戊二烯得到衣康酸酯/異戊二烯共聚物可以采用硫磺交聯體系和過氧化物交聯體系交聯。另外，衣康酸可以通過生物發酵法得到，發酵原料是含有淀粉、蔗糖的農產品，來源廣泛，目前我國已是生物發酵法生產衣康酸的大國。合成衣康酸酯所需要的甲醇、乙醇、正丁醇等亦可通過生物發酵或者熱解法從生物質中大量獲得。以衣康酸酯為主要原料來制備介電彈性體具有不依賴于傳統石化資源，有節能減排和可持續發展的重大意義。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種用于介電彈性體的衣康酸酯/異戊二烯共聚物型復合材料。可以通過衣康酸酯與異戊二烯乳液共聚，通過調整衣康酸酯與異戊二烯單體的投料比和控制聚合條件來調控分子鏈中極性酯基團及起到增塑效果的側鏈的含量，同時調控分子鏈中碳碳雙鍵的含量。分子鏈的設計直接影響該介電彈性體的介電常數等介電性能，模量等力學機械性能。通過硫化劑的用量控制交聯密度，加入增塑劑可以降低彈性體的模量，填充高介電陶瓷增加彈性體的介電常數。本專利技術所提供的一種可以作為介電彈性體使用的衣康酸酯/異戊二烯共聚物復合材料，其原料基本組成和質量份數包括：衣康酸酯/異戊二烯共聚物：100硫化體系：硫化體系可在硫磺硫化體系和過氧化物硫化體系中二選一，采用硫磺硫化體系時，其用量為0.3-3.0，采用過氧化物硫化體系時，其用量為1.0-8.0，優選過氧化物硫化體系；增塑劑：0或5～30半導體填料：0或5-100。優選增塑劑和半導體填料不同時為0。所述衣康酸酯和異戊二烯可以以任意比例共聚，優選衣康酸酯異戊二烯共聚物中衣康酸酯含量30重量％以上，進一步優選50重量％以上，更優選65重量％以上，特優衣康酸酯與異戊二烯在恒比點或在恒比點附近聚合，優選衣康酸酯異戊二烯共聚物中衣康酸酯95重量％以下。衣康酸酯的含量低于30重量％，異戊二烯的含量高，模量高，極性酯基團和側鏈的增塑效果下降，導致介電常數低，模量高。衣康酸酯異戊二烯共聚物中衣康酸酯含量高于95重量％，聚合物分子鏈中碳碳雙鍵含量低，需要用較大量的交聯劑交聯，同時異戊二烯還使分子鏈更柔順，起到降低玻璃化轉變溫度的作用，異戊二烯含量低于5重量％時，衣康酸酯異戊二烯共聚物玻璃化轉變溫度太高，柔性降低，模量增大，不宜作為介電彈性體使用。所述衣康酸酯/異戊二烯共聚物中衣康酸酯可包括衣康酸二甲酯、衣康酸二乙酯、衣康酸二正丙酯、衣康酸二正丁酯、衣康酸二異丁酯、衣康酸二正戊酯、衣康酸二異戊酯、衣康酸二正己酯、衣康酸二正庚酯、衣康酸二正辛酯。其中衣康酸酯是衣康酸與相應的醇通過催化酯化，提純得到。衣康酸酯主要通過生物發酵法獲得，國內衣康酸生物發酵法衣康酸酯生產技術成熟，產能已達到世界前列，成本已降到10000元/噸以下。目前甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇、異戊醇、正己醇可通過生物發酵法或生物質熱解法得到。在美國，巴西等國生物乙醇已大范圍使用，部分代替了汽油。正丁醇，相對生物乙醇有更高的燃燒熱，與汽油的配伍性好，蒸汽壓低，腐蝕性小，便于儲存和運輸，是非常有前本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種衣康酸酯/異戊二烯共聚物復合材料，其特征在于，其原料基本組成和質量份數包括：衣康酸酯/異戊二烯共聚物：100硫化體系：選自硫磺硫化體系和過氧化物硫化體系中的一種，采用硫磺硫化體系時，其用量為0.3?3.0，采用過氧化物硫化體系時，其用量為1.0?8.0；增塑劑：0或5～30半導體填料：0或5?100。

【技術特征摘要】
2014.09.06 CN 201410454270X1.一種衣康酸酯/異戊二烯共聚物復合材料，其特征在于，其原料基本組成和質量份數包括：衣康酸酯/異戊二烯共聚物：100硫化體系：選自硫磺硫化體系和過氧化物硫化體系中的一種，采用硫磺硫化體系時，其用量為0.3-3.0，采用過氧化物硫化體系時，其用量為1.0-8.0；增塑劑：0或5～30半導體填料：0或5-100；衣康酸酯/異戊二烯共聚物中衣康酸酯含量在30重量％以上，95重量％以下；增塑劑和半導體填料不同時為0；增塑劑選自衣康酸二丁酯、衣康酸二戊酯、衣康酸二己...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張立群，雷巍巍，王潤國，周鑫鑫，喬荷，姚慧，侯冠一，
申請(專利權)人：北京化工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11