[发明专利]包含离子型超分子结构体的介电型电活性聚合物

说明书

发明领域

本发明涉及离子互穿聚合物网络(ionic interpenetrating polymer network)，其包括至少一种弹性体和离子型超分子结构体(ionic supramolecular structure)，所述离子型超分子结构体包含至少两种化合物的反应产物，其中所述化合物的每一种具有至少两个官能团，并且其中所述化合物能够发生路易斯酸-碱反应。本发明特别涉及用于具有高介电常数的电活性聚合物(EAP)的离子互穿聚合物网络，所述离子互穿聚合物网络包含掺有离子型超分子结构体的弹性体基质。

发明背景

电活性聚合物(EAP)是在电场激励下发生尺寸或形状变化或当运动时可逆地产生能量的聚合物。通常EAP在维持巨大受力作用的同时能够进行大幅度的变形(major deformation)。

归因于具有高介电常数的弹性体材料在例如介电型电活性聚合物(DEAP’s)中的用途，其发展在过去几年吸引了越来越多的兴趣。

介电型电活性聚合物是一种如下的材料：通过向夹在两个电极之间的弹性体膜上施加静电力在该材料中引起致动(actuation)，该两个电极在施加电场时挤压弹性体。当施加电压时，静电压力施加在膜上，归因于所施加的电场，厚度被降低且面积被扩大。EAP的实例是介电弹性体。介电型电活性聚合物用作例如所谓的“人造肌肉”的致动器以及用作能量收集(energy-harvesting)中的发电机。

然而，DEAP在其广泛应用中的缺点是高的操作电压，其在致动应变需要高于2-3％时往往为几千伏。可以通过减小弹性体膜的厚度，降低其材料的机械刚度或增加其相对介电常数来降低操作电压。然而，厚度减小至小于5微米对于大量生产薄膜似乎不可能(Matysek等人，Proc.SPIE-EAPAD,San Diego,p.76420D(2010))。在使用嵌段的特定油(block specific oil)作为增塑剂的三嵌段共聚物中已经显示了刚度的降低(Shankar等人,Macromol.Rapid Comm.28,1142-1147(2007))。材料相对介电常数(ε^r)的增大可能导致高电能密度和降低的操作电压。通过向可商购的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体中混入导电的聚(3-己基噻吩)显示出介电常数的提高和刚度的减少(Carpi等人,Adv.Funct.Mater.18,235-241(2008))。提高介电常数的另一种方法是将具有高的永久偶极子的小分子附接或接枝到弹性体基质中(Kussmaul等人,Adv.Funct.Mater.,2011,21,4589-4594)。

然而，现有技术的介电型电活性聚合物在0.1Hz下表现出只有约5-20的相对介电常数(ε_r)，为了在商业上具有吸引力，设想DEAP的能量密度应该远远更高。因此，介电常数似乎是用于获得具有高能量密度的DEAP的重要调谐参数。

发明目的

本发明的实施方式的目的是提供用作介电型电活性聚合物(DEAP)的离子互穿聚合物网络，相比于现有技术的DEAP，其具有大大提高的相对介电常数，同时仅显示小的介电损耗。

发明概述

本发明人已经发现，通过提供离子型超分子结构体并且将所述超分子结构体掺入弹性体中，可以得到相对介电常数具有很大改善的离子互穿聚合物网络，该离子型超分子结构体包含至少两种化合物的反应产物，其中所述化合物的每一种具有至少两个官能团并且其中所述化合物能够发生路易斯酸-碱反应。

因此，在第一方面本发明涉及离子互穿聚合物网络，其包括：

ⅰ)至少一种弹性体，其选自硅橡胶、氟硅橡胶、聚(甲基)丙烯酸酯橡胶、氯丁橡胶、聚丁二烯橡胶、聚(环氧乙烷)橡胶、聚(环氧丙烷)橡胶、聚氨酯橡胶及其混合物；和

ii)离子型超分子结构体，其包含至少两种化合物的反应产物，其中所述化合物的每一种具有至少两个官能团并且其中所述化合物能够发生路易斯酸-碱反应。

在第二方面本发明涉及制备根据本发明的离子互穿聚合物网络的方法，该方法包括步骤：

ⅰ)任选通过加热将所述至少两种化合物混合，以获得所述离子型超分子结构体；和

ⅱ)任选通过加热将在步骤i)中得到的离子型超分子结构体和至少一种弹性体混合。