[发明专利]一种石墨烯/聚氨酯介电弹性体复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/聚氨酯介电弹性体复合材料的制备方法，它是以热塑性聚氨酯弹性体为基体材料，以通过点击化学反应所得的聚乙二醇改性石墨烯为介电增强功能填料，依次经溶液共混与流延成膜后制备获得。所制备的柔性弹性体复合材料具有较高的介电常数与较好的电致形变能力。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯/聚氨酯弹性体复合材料的制备方法。

背景技术

介电弹性体作为在电场作用下能够产生驱动形变的电活性聚合物，以其电致形变大、柔韧性好、撤除电场后弹性复原较快、能量密度与转换效率高、响应时间短、质量轻、制造成本低廉等众多优点，在驱动器、传感器、机械能量收集系统及人造肌肉等方面极具应用前景。介电弹性体材料尽管拥有优异的柔韧性，但介电常数较低（通常在10以下），往往导致需要非常高的驱动电场（大于100V/um）才可达到实际使用的形变要求，严重阻碍了介电弹性聚合物的应用。

将聚合物和导体或半导体进行复合是获取高介电常数的常用方法之一。例如，田明等通过溶液共混法制备了纳米石墨片/ 聚二甲基硅氧烷弹性体复合材料，发现当纳米石墨片含量仅为2.0wt%时，复合材料的介电常数（室温，1KHz）、介电损耗因子（室温，1KHz）、弹性模量、电致形变（驱动电场为15V/um）分别从纯聚二甲基硅氧烷的 3.1、0.02、0.5MPa、1.4%上升为 89.5、1.5、1.9MPa、3.6% （Tian M, Wei ZY, Zan XQ, Zhang LQ, Zhang J,Ma Q, Ning NY, Nishi T. Thermally expanded graphene nanoplates/polydimethylsiloxane composites with high dielectric constant, low dielectricloss and improved actuated strain. Composites Science and Technology, 2014,99: 37-44.）。

但是，导体或半导体多为刚性填料，而刚性填料的加入会使得体系的弹性模量有所增加。例如，Kofod G等以硅油表面改性二氧化钛半导体作为SEBS弹性体的填料（10-25vol%），尽管所得复合材料在低电场强度下的形变有所提高，但弹性模量大幅增加，弹性体柔性下降，击穿电场强度急剧下降[Stoyanov H, Kollosche M, Risse S, McCarthyDN, Kofod G. Elastic block copolymer nanocomposites with controlledinterfacial interactions for artificial muscles with direct voltage control.Soft Matter, 2011, 7: 194-202.]。上述不利因素极大地限制了导电（半导体）填料/介电弹性体复合材料的发展。因此，开发新型柔性导电（半导体）填料/介电弹性体复合材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯/聚氨酯介电弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）1克氧化石墨烯与250～300毫升N,N-二甲基甲酰胺溶剂加入到三颈瓶中并超声分散0.5～1小时，再向三颈瓶中加入0.025～0.05克偶氮二异丁腈与0.5～1克带端巯基的聚乙二醇形成混合物，对装有混合物的三颈瓶抽真空并冲氮气，然后上述混合物在氮气保护下65～75摄氏度反应6～8小时，对所得固体产物进行抽滤并用大量去离子水洗涤干净，然后在50～60摄氏度下真空干燥12～16小时，得到通过点击化学反应所得的聚乙二醇改性氧化石墨烯；

2）1克聚乙二醇改性氧化石墨烯与250～300毫升去离子水加入到单口瓶中并超声分散0.5～1小时，再向三颈瓶中加入1～2克硼氢化钠形成混合物，然后上述混合物在80～90摄氏度下反应4～6小时，对所得固体产物进行抽滤并用大量去离子水洗涤干净，然后在50～60摄氏度下真空干燥12～16小时，得到聚乙二醇改性石墨烯；