[发明专利]一种低含量碳纳米管的高介电性弹性体复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低含量碳纳米管的高介电性弹性体复合材料及其制备方法。特别是用一维取向排列阵列碳管填充弹性体获得的具有较低模量、高介电性能的介电弹性体复合材料及其制备方法。

背景技术

所谓介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)是指具有高介电常数的弹性体，可以在外界电刺激的作用下改变形状或者体积，当外界电刺激撤销后，又能恢复到原始的形状或体积，从而产生应力应变，将电能转变成机械能，即发生电致形变。介电弹性体的一个重要应用是制作微驱动器，应用于微型机器人、磁盘驱动器、假肢器官、微型航空器等领域。

根据介电弹性体驱动原理，(式中：S_z为厚度方向的形变量；ε和ε₀分别为介电弹性体的相对介电常数和真空介电常数(8.85×1^-12F/m)；U为施加电压；z为薄膜厚度)(X.Q.Zhang，M.Wissler，B.Jaehne，R.Broennimann，G.Kovacs.Effects of crosslinking，prestrain and dielectric filler on the electromechanical response of a new silicone andcomparison with acrylic elastomer[J].Proc.of SPIE，Vol.5385：78-79)，电致形变正比于介电常数/模量。介电弹性体要获得大的电致形变，需要具有高介电、低模量的特性，即能够得到高的介电常数/模量比值。

弹性体的介电常数通常低于10，需要很高的驱动电压(高达150kv/mm)，才能获得理想的驱动形变，因此需要加入介电填料以提高材料的介电常数，从而降低驱动电压。

常用的介电填料有介电陶瓷、导体或半导体填料。介电陶瓷由于加入的填料量太多（40vol%以上），在提高介电常数的同时也大大提高介电弹性体的模量，难以制备出高电致形变的介电弹性体。而导体或半导体填料，如碳纳米管、石墨微粒、二氧化钛等等可以在低添加量下提高材料的介电常数，并且由于填料的添加量较低，使材料本身的力学性能得以保持。其中尤以碳纳米管的性能最为出色。

普通CNTs具有高度缠结、难分散的缺点，直接将其与其他物质进行混合，只能以聚集体形态杂乱无章的无规分散于聚合物中，对提高介电性能不利。为了解决碳管在聚合物中的分散问题，通常对碳管进行表面化学改性和表面包覆有机层。专利200810018851.3先对碳纳米管进行酸化、胺化或者等离子表面改性处理，然后利用溶液浇铸法制备碳纳米管/聚合物复合薄膜；专利201110233290.0采用聚苯胺包覆的碳纳米管提高其在聚芳醚酮中的分散性。这些方法可以使碳纳米管在聚合物中获得良好的分散，但也对碳管本身的完整结构造成一定破坏，要么影响碳管的介电性能，要么弱化界面极化效应，因此需要较高的碳管添加量才能获得高的介电常数，并且过程复杂，难以控制。

与普通碳纳米管相比，阵列碳纳米管具有一维取向排列的特点，管与管之间的相互缠结较少，在机械剪切作用下，碳纳米管束的阵列结构被破坏，分离出的单根碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，得到分散良好的碳纳米管复合材料。

本发明的思想和创新点体现在：采用一维取向排列的阵列碳纳米管，通过传统机械共混法，解离形成良好的分散性，能够在较低用量下获得高的介电常数，同时弹性模量增加不明显，得到高的介电常数/模量比值。

发明内容

本发明的目的是提供一种低含量碳纳米管的高介电性弹性体复合材料及其制备方法。在弹性体基体中加入一维取向排列的阵列碳管，改善碳管在弹性体基体中的分散，在低填充量下提高材料的介电常数，同时不会大幅度增加弹性体模量，得到高的介电常数/模量比值。

本发明提供一种低含量碳纳米管的高介电性弹性体复合材料，其基本组成和质量份数为：

弹性体：100质量份

阵列碳管：0.5～10质量份

硫化剂：0或0.5～12质量份

助硫化剂：0或1～7质量份

所述的阵列碳管为长度50μm～100μm，管径为6～8nm的阵列碳纳米管。与普通碳纳米管相比，阵列碳纳米管具有一维取向排列的特点，管与管之间的相互缠结较少，在机械剪切作用下解离，能够在聚合物基体中形成良好的分散。

所述的弹性体为橡胶基体或热塑性弹性体基体。