[发明专利]氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氰乙基纤维素‑聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法，所述电致动器是由聚氯乙烯和氰乙基纤维素通过溶液共混法制备成复合凝胶，并在复合凝胶的两侧涂覆导电硅脂电极制备而成，利用下压弹簧作为预载荷，采用高压电源引入脉冲电信号，使该电致动器在电场下产生面外致动。本发明提出的氰乙基纤维素‑聚氯乙烯复合凝胶的介电性能和力学性能得到显著改善，相比于纯PVC凝胶的介电常数得到大幅提升，有利于电致动器在低电压下的电致动性能，相比于纯PVC凝胶粘弹性降低，有利于电致动器的稳定性和快速回复能力。本发明提出的氰乙基纤维素‑聚氯乙烯复合凝胶具有电容高、可拉伸、低模量的优点，可应用于高灵敏度位移传感器。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高介电常数的氰乙基纤维素/聚氯乙烯复合凝胶电致动器的制备方法。

背景技术

介电弹性体致动器(DEA)是由夹在两个柔性电极之间的介电弹性体(DE)组成。在DEA的厚度方向施加外加电压，电极层两侧的异性电荷相互吸引，挤压DE，使其在厚度方向上收缩和平面内扩展，如图1所示。限制DEA广泛应用的一个缺点是的高工作电场(通常大于10V/μm)，而2V/μm及以下的电场在生物医学中被认为是无害的电场，因此，使DEA在低电场下稳定工作是一个强有力的挑战。

DEA在厚度方向的驱动应变S_z可近似为：

S_z＝-ε_rε₀E²/Y＝-E²k(1)

式中，ε₀是自由空间的介电常数，ε_r是DE的相对介电常数，Y是杨氏模量，E是外加电场。k为机电灵敏度(k＝ε/Y)。因此，提高DE的介电常数是改善低电场下驱动性能的有效方法。

聚氯乙烯凝胶通常由聚氯乙烯(PVC)和增塑剂通过溶液共混法制备，能够实现大批量和工业化生产。聚氯乙烯凝胶具有价格低廉和弹性模量低的优点，因此可以用来制备介电弹性体电致动器。但是聚氯乙烯凝胶自身较低的介电常数，导致所制备的介电弹性体电致动器需要较高的工作电压(通常＞5kV)，限制了其广泛应用。另外由于具有较高的粘弹性不但使聚氯乙烯凝胶在进行电致动响应时出现蠕变的现象，而且弹性回复速度变慢。这些问题不利于基与聚氯乙烯凝胶的介电弹性体电致动器在机器人、微泵等领域的应用，因此提高聚氯乙烯凝胶的介电常数和粘弹性变得至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器及其制备方法以及作为传感器的应用。采用溶液共混法制备氰乙基纤维素/聚氯乙烯复合凝胶，氰乙基纤维素的高介电常数弥补了聚氯乙烯凝胶介电常数低的缺点，解决了聚氯乙烯凝胶电致动器工作电压高的缺点。同时具有一维结构的氰乙基纤维素在聚氯乙烯凝胶中形成的网状结构，能够改善聚氯乙烯凝胶的力学性能，尤其是粘弹性，增加了电致动器的稳定性能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种氰乙基纤维素-聚氯乙烯复合凝胶电致动器，所述电致动器是由聚氯乙烯和氰乙基纤维素通过溶液共混法制备成复合凝胶，并在复合凝胶的两侧涂覆导电硅脂电极制备而成，利用下压弹簧作为预载荷，采用高压电源引入脉冲电信号，使该电致动器在电场下产生面外致动。

进一步，所述的氰乙基纤维素的介电常数为11～15，取代度为1～2.5。

进一步，所述复合凝胶的厚度为0.5-1mm，弹性模量为0.12-0.73MPa；介电常数为4～7。

进一步，所述导电硅脂电极的厚度为0.1～0.2mm，直径为40mm，表面电阻为1000～3000Ω/sq。

进一步，所述电致动器在电场强度高于5V/μm和频率大于2Hz的脉冲电信号下，能够产生0.01～3mm的面外致动位移。