一種電致伸縮性複合材料及其製備方法和應用與流程
2023-10-31 22:26:57 2
本發明涉及高分子材料領域，尤其涉及一種電致伸縮性複合材料及其製備方法和應用。
背景技術：
：電致伸縮複合材料是在電場的作用下能產生伸縮運動，從而實現電能-機械能轉換的一種材料。電致伸縮複合材料由於其電能-機械能轉換中類似肌肉的運動形式又被稱為人工肌肉材料。現有技術中的基於電致伸縮複合材料的電能-機械能轉化的材料和器件中，所述的電致伸縮複合材料主要是以單組分的材料形成，其驅動電壓較高、輸出應力較小，使得其性能與肌肉相比還有較大的差距。CN101604727A公開了一種電致伸縮複合材料，其包括：一柔性高分子基底，分散在所述柔性高分子基底中的多個談納米管。其中，所述電致伸縮複合材料還進一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多個陶瓷顆粒。該發明製備得到的材料的電致伸縮率僅為1-8％。在本領域中，期望得到一種電致伸縮率更大的複合材料。技術實現要素：針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種電致伸縮性複合材料及其製備方法和應用。為達此目的，本發明採用以下技術方案：一方面，本發明提供了一種電致伸縮性複合材料，所述電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：在本發明所述的電致伸縮性複合材料的原料中，所述TPU顆粒的重量百分比為50-60％，例如51％、51.5％、52％、52.5％、53％、53.5％、54％、54.5％、55％、55.5％、56％、56.5％、57％、57.5％、58％、58.5％或59％。優選地，所述TPU顆粒為聚酯型TPU顆粒和/或聚醚型TPU顆粒。在本發明所述的電致伸縮性複合材料的原料中，所述碳納米管的重量百分比為5-10％，例如5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％或9.5％。優選地，所述碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管中的任意一種或至少兩種的組合。在本發明所述的電致伸縮性複合材料的原料中，所述納米鈦酸鋇的重量百分比為15-20％，例如15.5％、16％、16.3％、16.5％、16.8％、17％、17.5％、17.8％、18％、18.4％、18.8％、19％、19.3％、19.5％或19.8％。在本發明所述的電致伸縮性複合材料的原料中，所述導電炭黑的重量百分比為5-20％，例如6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％。另一方面，本發明提供了如本發明第一方面所述的電致伸縮性複合材料的製備方法，所述方法為將各原料成分預先乾燥，混合均勻，擠出得到所述電致伸縮性複合材料。在本發明所述電致伸縮性複合材料的製備方法中，所述乾燥溫度為50-60℃，例如50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃，乾燥時間為1-2h。在本發明所述電致伸縮性複合材料的製備方法中，所述擠出利用流延機擠出。優選地，所述流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為130-140℃；濾網溫度為140-150℃；彎頭溫度為150-160℃；連接溫度為135-150℃；模頭溫度為150-165℃。作為本發明的優選技術方案，本發明所述電致伸縮性複合材料的製備方法包括以下步驟：將各原料成分預先在50-60℃下乾燥1-2h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為130-140℃；濾網溫度為140-150℃；彎頭溫度為150-160℃；連接溫度為135-150℃；模頭溫度為150-165℃，得到所述電致伸縮性複合材料。另一方面，本發明提供了如本發明第一方面所述的電致伸縮性複合材料在功能性材料領域的應用。例如，本發明的電致伸縮性複合材料可用於人造肌肉、電敏感材料、傳感器等領域。相對於現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明利用50-60％TPU顆粒、5-10％碳納米管、15-20％納米鈦酸鋇和5-20％導電炭黑製備得到電致伸縮複合材料，各組分之間相互配合，協同作用，使得其電致伸縮率可高達22-25％，可應用於功能性材料領域，具有很好的應用前景。具體實施方式下面通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。實施例1在本實施例中，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法包括以下步驟：將各原料成分預先在50℃下乾燥2h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為140℃；濾網溫度為150℃；彎頭溫度為160℃；連接溫度為135℃；模頭溫度為150℃，得到所述電致伸縮性複合材料。實施例2在本實施例中，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法包括以下步驟：將各原料成分預先在60℃下乾燥1.5h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為140℃；濾網溫度為140℃；彎頭溫度為150℃；連接溫度為150℃；模頭溫度為165℃，得到所述電致伸縮性複合材料。實施例3在本實施例中，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法包括以下步驟：將各原料成分預先在55℃下乾燥1h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為135℃；濾網溫度為145℃；彎頭溫度為160℃；連接溫度為135℃；模頭溫度為150℃，得到所述電致伸縮性複合材料。實施例4在本實施例中，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法包括以下步驟：將各原料成分預先在60℃下乾燥1h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為140℃；濾網溫度為145℃；彎頭溫度為155℃；連接溫度為150℃；模頭溫度為165℃，得到所述電致伸縮性複合材料。實施例5在本實施例中，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法包括以下步驟：將各原料成分預先在50℃下乾燥2h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為130℃；濾網溫度為150℃；彎頭溫度為155℃；連接溫度為150℃；模頭溫度為155℃，得到所述電致伸縮性複合材料。對比例1本對比例與實施例1不同之處在於用矽橡膠彈性體代替TPU顆粒，其餘原料與原料用量以及製備方法和條件均與實施例1相同。對比例2本對比例與實施例1不同之處在於用氧化鋁代替納米鈦酸鋇，其餘原料與原料用量以及製備方法和條件均與實施例1相同。對比例3本對比例與實施例1不同之處在於，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法和條件均與實施例1相同。對比例4本對比例與實施例3不同之處在於，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法和條件均與實施例3相同。對比例5本對比例與實施例1不同之處在於，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法和條件均與實施例1相同。對比例6本對比例與實施例1不同之處在於，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法和條件均與實施例1相同。對比例7本對比例與實施例1不同之處在於，電致伸縮性複合材料主要由以下重量百分比的原料製備得到：製備方法和條件均與實施例1相同。對實施例1-5以及對比例1-7製備得到的電致伸縮複合材料施加40伏特的電壓，測定材料的電致伸縮率，結果如表1所示。表1實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5對比例1電致伸縮率(％)25222023205對比例2對比例3對比例4對比例5對比例6對比例7電致伸縮率(％)678786由表1可以看出，本發明實施例1-5製備的電致伸縮材料的電致伸縮率為16-20％，而當用矽橡膠彈性體代替TPU顆粒(對比例1)或用另一種陶瓷顆粒氧化鋁代替納米鈦酸鋇(對比例2)時，或者將某種原料的用量限定在本發明範圍之外時(對比例3-7)，製備得到的電致伸縮材料的電致伸縮率僅為4-8％，顯著低於本發明製備得到的電致伸縮複合材料的電致伸縮率。因此，本發明中各原料組分之間相互協調，相互配合使得材料電致伸縮率獲得了顯著提高，本發明的電致伸縮複合材料可以用於功能性材料領域，具有廣泛的應用前景。申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的電致伸縮性複合材料及其製備方法和應用，但本發明並不局限於上述實施例，即不意味著本發明必須依賴上述實施例才能實施。所屬
技術領域：
的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。當前第1頁1 2 3