[发明专利]一种高机-电转换效率天然橡胶复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高机‑电转换效率天然橡胶复合材料及其制备方法。所述复合材料含有橡胶基体：100份，硫化剂：2‑5份，无机填料：10‑50份，增塑剂：10‑50份。所述制备方法采用高介电常数的无机填料和增塑剂填充到天然橡胶基体中，获得了兼顾高介电常数和低弹性模量的介电弹性体复合材料，这种复合材料具有大拉伸比、高电击穿强度、高机‑电转换效率和高能量密度。天然橡胶介电弹性体复合材料为介电弹性体发电机领域提供了一种新材料的制备方法和思路。

技术领域：

本发明属于材料加工技术领域，涉及高机-电转换效率天然橡胶介电弹性体复合材料及其制备方法。具体涉及采用高介电陶瓷填料及增塑剂制备具有高机-电转换效率和高能量密度的介电弹性体发电机用天然橡胶复合材料。

背景技术：

介电弹性体发电机(DEG)由弹性体薄膜及涂覆在其上下表面的柔顺电极组成，能将自然环境中的多种机械能转变为电能，可望成为一种再生能源新方式。DEG较传统的电磁式、压电式发电机相比，具有质量轻、能量密度高、转换效率高、成本低等优点。介电弹性体具有柔韧性好、形变量大、能量密度高、响应时间快、介电损耗和粘弹滞后损耗小、加工成本低、能大规模生产等优点，是制备DEG用材料的良好选择。

近年来，应用于介电弹性体发电机上的介电材料大部分来自美国3M公司的丙烯酸酯VHB4910胶带。但是VHB4910介电常数较低(4.8)、黏弹滞后损耗大，严重制约其机-电转换效率的提高。因此，设计并制备具有高介电常数、低介电损耗、低弹性模量、大拉伸比、高击穿强度的介电弹性体材料是发展高机-电转换效率DEG的关键因素。如，Dongrui Wang等，在“Dielectric elastomer generator withimproved energy density andconversionefficiency based onpolyurethane composites”(《ACS Applied Materials&Interfaces》2017，9：5237-5243)一文中，详细介绍了以聚氨酯(PU)为基体材料，通过填充钛酸钡(BT)陶瓷填料和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)增塑剂，制备出介电弹性体复合材料。相比较于纯聚氨酯材料，这种聚氨酯复合材料将能量密度从0.1mJ/cm³提高到1.6mJ/cm³，同时机-电转换效率从0.1％提高到0.7％。该工作虽然提出了一种新材料的制备方法，但复合材料的机-电转换效率的提高非常有限。

发明内容

本发明目的是提供一种高机-电转换效率天然橡胶复合材料及其制备方法。

本发明是向天然橡胶介电弹性体基体中添加高介电常数的介电陶瓷填料来提高弹性体的介电常数，同时通过填充小分子增塑剂进一步降低弹性模量，从而制备兼顾高介电常数和大拉伸比的介电弹性体复合材料，从而获得高机-电转换效率和高能量密度，为介电弹性体发电领域提供了一种新材料的制备方法。

本发明所述的天然橡胶复合材料，其包括以下组分和质量份数：100质量份的橡胶基体，2-5质量份硫化剂、10-50质量份的高介电无机填料，10-50质量份的增塑剂。

上述弹性体基体为：天然橡胶，所述天然橡胶具有优异的电绝缘性、大拉伸比、良好的抗撕裂性、耐磨性和耐旱性；上述高介电无机填料为：钛酸钡、二氧化钛、氧化铝、铌镁锆钛酸铅、铜钛酸铅陶瓷填料；上述增塑剂为：邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、芳香油、石蜡油或环烷油。所述半导体填料的粒径为30nm-200nm。

上述高机-电转换效率天然橡胶复合材料制备方法为：

(1)将溴化丁基橡胶100质量份与2-5质量份硫化体系、10-50质量份无机填料和10-50质量份增塑剂在20-60℃混炼均匀出片，

(2)将步骤(1)所得片材停放7-9h后，在平板硫化机上硫化，混合物在140-150℃模压硫化制成天然橡胶介电弹性体复合材料。