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《扬州大学》 2017年
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高介电常数复合弹性体的制备及其在柔性传感器领域的应用

王根林  
【摘要】:随着机器人产业的快速发展和对护理机器人的深入研究,驱动器和触觉传感器在机器人器件中的作用得到了研究者们的广泛关注,并有望进一步拓宽机器人的感知能力和运动能力。其核心部件为高性能的介电弹性体,它不仅具有超大变形量、超快响应速度、高机电转化效率、良好的负载匹配性、超强的环境适用性、高疲劳寿命以及优异的仿生性能等特点,同时,还可以作为力学传感器应用于包括机器人触觉皮肤在内的众多新兴研究领域,已成为国内外学者关注的热点之一。本文采用钛酸铜钙、聚苯胺包裹钛酸铜钙等高介电常数的无机颗粒、高极性的聚丙二醇二乙酯柔性聚合物、三聚茚和聚乙炔等具有共轭结构的物质、碳纳米管和聚苯胺等导电材料作为高效填料,制备了一系列的介电弹性体复合材料,具有良好的电致形变效果,并制备了伸缩型电容传感器,研究了拉伸与电容输出的关系,进一步拓展了介电弹性体的应用领域。本论文主要开展的工作有以下七个方面:(1)通过直接热处理法和熔盐法,设计并制备了具有不同形貌的亚微米和微米钛酸铜钙(CCTO)颗粒。然后,将自制的CCTO颗粒填充至硅橡胶弹性体中,所得的复合材料具有高介电常数、低介电损耗和高电致形变效果。相对于纯硅橡胶弹性体的介电常数为2.15,在50 Hz的电场频率下,亚微米和微米钛酸铜钙/硅橡胶复合材料的介电常数分别提升至4.37和4.18。而复合材料的介电损耗依然保持在低值(小于0.06)。亚微米和微米钛酸铜钙/硅橡胶复合材料的弹性模量略有增加,仍保持良好的柔韧性。在低电场5 V/μm作用下,相比纯有机硅弹性体的2.25%形变量,亚微米和微米钛酸铜钙/硅橡胶复合材料的电致形变量分别为7.69%和9.83%。(2)在盐酸溶液中,使用简单的苯胺原位聚合法合成了核-壳结构的钛酸钙铜(@聚苯胺(CCTO@PANI)颗粒。然后,将自制CCTO@PANI颗粒填充至硅橡胶弹性体中,所得复合材料具有高的介电常数、低介电损耗和在低电场下具有更好的电致形变效果。同时,CCTO@PANI/PDMS复合材料的弹性模量略微增加,依然保持良好的柔韧性。在低电场10 V/μm 作用下,与纯硅弹性体(8.94%)相比,CCTO/PDMS 和 CCTO@PANI/PDMS(CCTO和苯胺的重量比为10)复合材料表现出更大的电致形变,分别为10.95%和13.24%。这项研究提供了一个简单而有效的介电弹性体制备方法,即通过添加CCTO@PANI颗粒制备复合弹性体,由于高性能填料具有超电子极化和强极化离域,进而改善了介电弹性体在低电场下的电致形变效果,扩大了介电材料的广泛应用。(3)通过聚丙二醇(PPG)和醋酸酐的酯化反应,制备了不同分子量的聚丙二醇二乙酯(简称PPGDA)。它能够有效减少原料PPG中的残留水分和降低其亲水性。然后,在聚二甲基硅氧烷硅橡胶(简称PDMS)中加入5%的不同分子量的PPGDA,制备了PPGDA/PDMS复合材料。该复合材料在低电场中具有较高的介电常数(k)和电致形变效果。PPGDA分子结构中由于具有较多的极性氧原子,可以提高分子的极性并且形成较多的酯键。PPGDA/PDMS复合材料介电常数的大幅度增加可以明显提高其机电耦合系数(β)。当PPGDA的分子量为4000时,所得的PPGDA/PDMS复合材料的电致形变量最大。在10.5 V/um的低电场中,纯PPGDA的驱动应变为8.94%,而PPGDA/PDMS复合材料的驱动应变为17.31%,提高约1.91倍。(4)通过简单共溶法制备了仅含有0.5 wt%的ππ-共轭三聚茚小分子的有机硅介电弹性体(简称PDMS)复合材料。由于三聚茚具有规则的刚性结构,特殊的ππ-共轭结构和单分散性质,所制备的三聚茚/PDMS复合材料具有高的介电常数(k),其可以在驱动电场作用下,形成大量并联的微电容器。此外,三聚茚/PDMS复合材料的弹性模量仅稍微增加,保持着良好的柔性。在5.5 V/μm的低电场下,纯PDMS的电致形变量为4.52%,三聚茚/PDMS复合材料的电致形变量是11.56%,约提升了 2.56倍。(5)通过PVC(聚氯乙烯/PDMS的原位脱氯化氢反应,在较高温度(180 ℃)下,获得部分共轭聚合物/硅橡胶介电弹性体复合材料(PCP/PDMS)。所制备的PCP/PDMS复合材料具有高的介电常数(k),低介电损耗和在低电场下具有更好的电致形变量。PCP/PDMS复合材料的高介电常数和低弹性模量增加了其机电耦合系数((β)。因此,与纯硅橡胶弹性体相比,仅填充1 wt%PVC的硅橡胶弹性体通过热处理所得的PCP/PDMS复合材料在50 Hz电场频率下其β增加2.81倍,在低电场(10 V/μm)作用下,其电致形变量增加了 1.96倍。(6)将多壁碳纳米管经过纳米分散机多次循环剪切,制备了长径比更小的碳纳米管。在50 Hz电场频率下,纯硅橡胶弹性体的介电常数为2.15,仅填充0.0125wt%的剪切后碳纳米管的改性硅橡胶弹性体的介电常数提升至4.38。由于碳纳米管添加量较少,对复合弹性体的模量影响不大。在低电场(9 V/μm)作用下,其电致形变量为17.61%,增加了 2.07倍,有望在生物医学领域得到实际应用。(7)以十二烷基苯磺酸为掺杂有机酸和乳化剂,甲苯为溶剂,通过乳液氧化聚合法合成了可溶性聚苯胺导电材料。然后,将其与SEBS弹性体混合成均相,再挥发溶剂成型,通过调整聚苯胺的不同用量,分别制备了介电弹性体和柔性电极,由于两者为同质材料,相容性强,非常容易粘贴。以2 wt%填充量的PANI/SEBS为介电层,25 wt%填充量的PANI/SEBS为导电层,制备了伸缩电容传感器,并采用精密LCR数字电桥测试了电容,初步研究了拉伸-电容之间的关系,测试信号稳定,符合经典电容理论。
【学位授予单位】:扬州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB332;TP212

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