[发明专利]高分子量线型聚氨酯丙烯酸酯预聚物、介电弹性体及制备

说明书

本发明涉及介电弹性体材料领域，具体涉及一种高分子量线型聚氨酯丙烯酸酯预聚物、介电弹性体及其制备方法。本发明提供一种聚氨酯丙烯酸酯预聚物的制备方法，所述制备方法为：先将二异氰酸酯、多元醇和有机溶剂1搅拌共混反应制得软硬段交替的聚氨酯预聚物，然后将聚氨酯预聚物溶于有机溶剂2中并加入丙烯酸类封端剂制得聚氨酯丙烯酸酯预聚物；其中，二异氰酸酯与多元醇的摩尔比为：1.1～2.0；所述有机溶剂1为弱极性的溶剂，所述有机溶剂2为弱极性或强极性溶剂。本发明在具有不同尾端结构的线型非支化和非交联型聚氨酯丙烯酸酯预聚体中引入活性稀释剂和光引发剂，能够快速制备出具有良好的力学和介电性能的聚氨酯介电弹性体材料。

技术领域

本发明涉及介电弹性体材料领域，具体涉及一种高分子量线型聚氨酯丙烯酸酯预聚物、介电弹性体及其制备方法。

背景技术

介电弹性体以电活性聚合物为基质，具有快速可逆大变形、机电转化效率高、能量密度大等特点，在机械驱动器、人工肌肉、柔性机器人和传感器等领域具有广泛的应用前景。在介电弹性体薄膜表面涂敷导电电极，外加电场下电极两侧产生的Maxwell作用力使得弹性体薄膜发生变形，厚度减小，面积扩大。根据Pelrine等人提出的理论，当介电弹性体材料具有较高的介电常数、较低的弹性模量、低的介电损失以及高介电击穿强度时，介电弹性体材料能够在低电压下获得较大的驱动应变。目前常见的介电弹性体材料包括硅橡胶(SR)、丙烯酸酯(AAS)和聚氨酯(PU)等，相比于其他聚合物基弹性体，PU基介电弹性体具有更高的介电常数和耐候性。PU是一种软段和硬段交替连接的嵌段型聚合物，两相较大的热力学差异会导致材料内部出现微相分离，使材料结晶度较低，弹性较大；正是由于PU的软硬段结构的多样化，对其后续的结构控制起到了很大的帮助，能够赋予聚氨酯材料更多的特殊性能。

目前常用来提高PU介电弹性体材料电驱动性能的方法一般包括物理改性和化学合成。对于物理改性的方法，其中一种为在PU中复配导电或介电填料(银粒子，碳纳米管，石墨烯，炭黑或者BaTiO₃颗粒等)，可以有效增加PU的介电常数，但会明显增加PU的弹性模量，降低击穿强度。另一种物理改性方法为，在PU基体中添加小分子稀释剂，包括带偶极结构的稀释剂(如偶氮苯，二氨基萘等)；加入带偶极的稀释剂小分子可破坏PU自身分子链内部或分子链间氢键，重构PU分子链与小分子稀释剂间的氢键，降低材料模量的同时增加材料的极化程度，提升材料的介电性能；但这种方法容易造成稀释剂小分子的挥发与迁移，使得材料的稳定性与耐候性大大降低。

通过化学合成或有机改性分子链的方法可以直接并更有效地解决聚氨酯模量高击穿强度低的问题。例如，增加PU软硬段结构中软段(如聚乙二醇)的长度，这一方法可有效降低PU基体的模量，但却进一步降低了材料的介电损耗(分子内摩擦耗散加剧)。除此之外，另一些常用方法还包括，构筑低交联度的PUA网络结构，或构筑交联点间分子量(M_e)较大的PU网络结构；抑或采用grafting to的方法在PU主链上构筑“瓶刷(bottle brush)”结构和采用环糊精(cyclodextrin)主客体嵌套的方法构筑“滑动环(sliding ring)”结构，在弹性体网络结构中引入第二相网络形成互穿聚合物网络(IPN)等。这些方法都可有效降低交联密度及分子间氢键作用，从而降低PU模量。在这些方法基础上，进一步对介电弹性体结构进行预拉伸，预拉伸和支撑结构可以调节其应力-应变曲线，消除过早电击穿，可进一步提高弹性体的驱动应变。但这些方法都面临着一些难以解决的共性问题，包括：制备难度较大、步骤复杂、成本较高、产率较低，还有可能降低PU的抗拉伸性能，造成驱动应变范围变窄，分子链间的相对运动增加导致介电松弛明显等等；同时支撑结构与弹性体界面处容易出现应力集中，导致界面处失稳，而预拉伸会导致材料应力松弛，降低弹性体的使用寿命。因此目前亟需探索出一种简易、普适的方法快速来合成构筑具有高电机械性能的PU介电弹性体材料。

发明内容