[发明专利]一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料及其制法和应用

说明书

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。

具体实施方式

实施例1