[发明专利]一种聚合物介电弹性体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种聚合物介电弹性体及其制备方法和应用，所述聚合物介电弹性体通过多巴胺在氧化锌纳米颗粒表面的自聚合，使聚多巴胺对氧化锌纳米颗粒的的包裹呈典型的核壳结构（PDA@ZnO）。将PDA@ZnO掺杂在乙烯‑醋酸乙烯共聚物（EVA）中，制备出PDA@ZnO/EVA聚合物介电弹性体。本发明的PDA@ZnO/EVA聚合物介电弹性体的介电性能和击穿强度得到显著改善，应用于电致动器时，能够在低电场下产生大的形变和位移。本发明的PDA@ZnO/EVA聚合物介电弹性体具有优异的力学性能，同时介电性能的提升，使得该聚合物介电弹性体用于电子皮肤作为传感器时具有较高的灵敏度和宽的传感范围。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种介电性能增强的PDA@ZnO/EVA聚合物介电弹性体制备方法及电致动器和电子皮肤领域的应用。

背景技术

介电弹性体（DE）作为电子型电活性聚合物，具有大的电压诱导变形、快速响应和高能量密度等优点。因此DE常被用作电致动器和传感器，作为电致动器能够将电能直接转换成机械能，作为传感器时根据采集到的电容信号的变化，可以判断出传感器受到的力和发生的形变量。电致动器（DEA）是一种柔性电容器，在柔性电极之间夹有一层介电弹性体。在DEA的两侧施加电压，电极层上不断积累的异性电荷相互吸引并挤压介电弹性体，使其在厚度方向上收缩，面内扩张。基于DE的电容式传感器与DEA具有类似的结构，因此其应变传感和应力传感是通过检测介电弹性体电容的变化来实现的。随着科技的发展，对基于介电弹性体的致动器和传感器的市场需求日渐增大，尤其是在可穿戴设备，机器人和仿生领域，同时分别对于它们的电致动性能和灵敏度具有更苛刻的要求。

目前对于DEA电致动性能的改善，主要是通过以下三种方法：1) 提高DEA电极层的导电性和可拉伸性，另外电极层的图案化和阵列也是有效的方法；2) 通过机械结构或者液压机构对电场下产生的面积形变或者致动位移进行放大；3) 对介电弹性体的模量和介电常数的协同改进。方法3）具有操作简单、成本低、普适性的优点，有利于工业化生产和实际应用。

电子皮肤作为一种新型智能柔性传感器，具有可拉伸性、高灵敏度、多功能性和可穿戴的优点。通过检测受力时两个电极之间距离变化产生的微小电容变化来检测输入力，这种微小的电容变化归因于基于介电弹性体的电容器结构。另一方面，电容式力传感器具有柔性可拉伸结构，在整个负载范围内表现出可靠的传感能力。然而，这些传感器的灵敏度也相对较低，因为常被用来制备介电弹性体的材料具有较低的介电常数（2.8~4.8）。因此，提高电容式传感器的介电弹性体的介电常数，是使其应用于需要高灵敏度的电子皮肤的关键。

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）是乙烯单体和醋酸乙烯酯单体，在引发剂存作用下共聚得到的共聚物。EVA具有弹性高、柔韧性强、耐候性的优点，可用于聚氯乙烯及工业橡胶制品改性，广泛应用于包装、内饰、医药领域。其高弹性，低模量，低成本的优点，使其能够用于制备介电弹性体，并有利于工业化生产。而用来制备高电致动性能的电致动器和高灵敏度的传感器，需要EVA膜具有高的介电常数，另外电致动器也需要更高的击穿电压。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种介电性能增强的PDA@ZnO/EVA聚合物介电弹性体。所制备的聚合物介电弹性体由于ZnO的高介电常数，以及PDA壳层在电场下的诱导极化，介电性能得到大幅提升。另外具有核壳结构的PDA@ZnO纳米颗粒，能够抑制电场下聚合物介电弹性体内部导电通路的形成，使聚合物介电弹性体的击穿电压提高。因此聚合物介电弹性体介电常数和击穿电压的大幅提升，使其用于电致动器时具有出色的电致动性能和稳定性能，作为传感器时具有高灵敏度和更宽的传感范围。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：