[发明专利]一种高介电、高击穿强度天然橡胶介电弹性体及制备方法

说明书

本发明公开了一种高介电、高击穿强度天然橡胶介电弹性体及制备方法，首次选用二维层状石墨相氮化碳(g‑C₃N₄)材料作为介电填料，制备出的复合材料具有高介电常数和高击穿强度的优异性能，有利于介电弹性体材料在电容器方面的应用。其次，该制备方法工艺简单、操作方便、环境友好，易于大规模生产。

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种具有高介电、高击穿强度天然橡胶介电弹性体及制备方法。

背景技术

介电弹性体作为电子型电活性聚合物，具有灵活性好、响应速度快、重量轻、使用寿命长等优点。因此，介电弹性体材料常被用于制动器，将电能转换成机械能。介电弹性体制动器是由两个柔性电极和涂覆在两个柔性电极间得介电弹性体薄膜构成的器件。当外电场施加到柔性电极上时，介电弹性体薄膜上下表面会产生异性电荷，异性电荷相互吸引，从而实现材料在平面上的扩展，径向方向的压缩，实现电能向机械能的转换。

高分子弹性体一般有硅橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯等。其中，天然橡胶(NR)由于其高弹性和大变形的优异性能，被认为是一种很有前途的介电弹性体材料。但是天然橡胶的介电常数较低(约为3)，这不利于其在制动器方面的应用及发展。从以往的研究中发现，在聚合物基质中加入具有高介电常数的介电填料，可以有效提高聚合物复合材料的介电常数。

一般地，介电填料分为陶瓷填料和导电填料。添加高介电常数陶瓷颗粒，如二氧化钛(TiO₂)、钛酸钡(BaTiO₃)或者钛酸铜钙(CaCu₃Ti₄O₁₂)，常被用来做介电填料。虽然陶瓷材料有模量高、机械性能差及电击穿强度低的缺点，但是与柔韧性能好、电击穿强度高、易于加工成型的聚合物基体复合，可以获得综合性能较优的介电弹性体材料。但是，想获得明显的介电常数提高，陶瓷材料的填充量要很高，这会导致介电弹性体内部缺陷增多，力学性能差。导电填料如碳纳米管、石墨烯，相较于陶瓷材料，添加量小，介电弹性体的柔性和均匀性也更好。然而，当导电填料的添加量接近逾渗阈值时，介电弹性体的介电常数会急剧升高，同时介电损耗也会升高。导电粒子容易在基体中形成导电网络，这会导致介电弹性体的击穿强度降低。

所以，目前亟需解决的问题是选择一种具有陶瓷和导电填料综合优点的颗粒作为介电填料，使制备出的天然橡胶介电弹性体复合材料具有高介电常数、高击穿强度的优异性能。

发明内容

本发明要解决天然橡胶介电常数低，难以满足驱动器等器件对高介电性能要求的技术问题；而提出了一种高介电、高击穿强度天然橡胶介电弹性体及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的高介电、高击穿强度天然橡胶介电弹性体的掺杂相是以新型二维非金属材料石墨相氮化碳(g-C₃N₄)为介电填料，g-C₃N₄的形貌为层状，以天然橡胶作为基体；其制备方法具体是按下述步骤进行的：步骤一、将三聚氰胺放至马弗炉中，获得g-C₃N₄样品。步骤二、将上述不同含量的g-C₃N₄样品，与天然橡胶混炼均匀，并加入交联剂再次混炼。将混炼后的样品放入平板硫化机中硫化，得到g-C₃N₄/NR介电弹性体复合材料。

进一步地限定，一种高介电、高击穿强度的天然橡胶介电弹性体，按照质量份数计，其组成为：

天然橡胶基体：100份，

交联剂：2份，

陶瓷填料：5-15份。

进一步地限定，步骤一在550℃下热缩聚2h。

进一步地限定，步骤二在温度为150℃，硫化压力10MPa下硫化50min。