[发明专利]一种丙烯酸酯介电弹性体及其制备方法

说明书

一种丙烯酸酯介电弹性体及其制备方法，所述制备方法包括：将丙烯酸酯单体、多官能团丙烯酸酯低聚物和光引发剂混合均匀，形成预聚体；将所述预聚体注入模具并抽真空，经紫外光照射引发光聚合反应，形成丙烯酸酯介电弹性体；将所述丙烯酸酯介电弹性体脱模，并除去未反应的单体。通过上述方法制得的丙烯酸酯介电弹性体兼具高效电致驱动性能、低介电损耗和优异的机械性能，实用性好，上述制备方法操作简单、易于大规模生产。

技术领域

本申请涉及但不限于功能高分子软材料技术领域，尤指一种丙烯酸酯介电弹性体及其制备方法。

背景技术

工具的创造和使用，显著提高了社会生产力，推动人类社会快速发展。特别是在第二次工业革命后，人类社会进入“电气时代”，各种各样的电磁驱动装置(例如，机械臂和机器人)被设计、制造和更新，将人类从简单、重复、繁重的体力劳动中解放出来，尤其是在一些极端环境中，比如真空或者有核辐射和紫外光辐射等，机器人的出现极大地避免了人员伤害。然而传统的工程机械装置由金属、陶瓷等硬材料制造，这严重阻碍了它与人类、动植物等柔软的生物体的交互作用。而天然肌肉由于同时具备了低密度、高能量输出、高效率与精确的操作控制和自愈等优势，一直以来都是理想的工程驱动器材料。因此，大批科研人员开始致力于研究肌肉的替代材料来制造软驱动器。介电弹性体(Dielectric Elastomer，简称为DE)作为一种电活性聚合物，在电场驱动下可以产生巨大的形变(100％)，将输入的电能转化为机械能输出，形成介电弹性体驱动器(Dielectric Elastomer Actuator，简称DEA)。对于传统的电磁式机械操作装置，随着控制模式和灵活度的增加，系统自由度和复杂性也会显著增加。但DEA仅通过平动和转动结合就可以产生丰富的运动模式，从而显著减少了系统的自由度，降低了装置的复杂性。DE因具有大的电致驱动形变、较快的响应速度、轻质、柔软和操作静音等优势，成为了当前极具发展前景的“人造肌肉”新材料。

介电弹性体驱动器的基本工作原理是电极化形成的表面静电力。当在介电弹性体薄膜材料表面施加电压时，由于弹性体在电场作用下的电极化，从而在紧靠弹性体上下电极的表面会积聚静电荷，同一电极上的同种电荷会互相排斥，不同电极上的异种电荷互相吸引，静电力作用的结果是使DE沿电极平面方向延展，厚度方向变薄。这种电荷静电相互作用力被统称为Maxwell应力(σ_Maxwell)，应力大小可由公式(1)(参见参考文献1)计算得到。

σ_Maxwell＝ε₀ε_rE² (1)

其中，ε₀和ε_r分别为真空介电常数和DE的相对介电常数，E为施加在DE薄膜上的电场强度。

如果将DE视为各向同性的线性电介质，厚度方向的形变(S_z)可由公式(2)¹计算得到。在Maxwell应力作用下，DE会产生非常显著的线性形变。

其中，Y为杨氏模量。

由上面的分析可以看出，在相同的驱动电场下，DE的形变量主要由两个参数决定：介电常数和杨氏模量。因此，目前对介电弹性体材料方面的研究也主要围绕介电弹性体材料的这两个参数调控。为了增加DE的介电常数，最常见的两个技术路线是添加高介电的无机颗粒或导电颗粒以及引入强极性基团。但是无论上述哪种方法都难以避免介电损耗增加、击穿电场降低和弹性模量增加的问题。为了降低杨氏模量，常见的技术路线是添加增塑剂，但是同时也需要解决增塑剂渗出的问题。目前对介电弹性体新材料的合成和改性主要还是针对某一两个参数，但是作为一个整体常常会偏离实用化，并且制备思路偏向于经验性，缺乏综合系统的材料设计指导。

发明内容