CN105885005A - 一种聚氨酯弹性体材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯弹性体材料的制备方法，将端羟基的丁二烯‑丙烯腈共聚物(HTBN)放入四口烧瓶中，于真空条件下在100‑110℃除水2‑3h；待温度降到室温，再加入异氰酸脂，并在氮气气氛下反应2‑3h；待温度再次降到室温时，加入扩链剂，并于60‑70℃下反应1～2h；在反应结束后将所得材料放入模具中，热压成型后放到90‑100℃的烘箱中固化20‑24h得到所述聚氨酯弹性体材料。上述方法所制备的聚氨酯弹性体材料具有很高的介电常数和力学性能。

Description

一种聚氨酯弹性体材料的制备方法
技术领域
本发明涉及聚氨酯材料技术领域，尤其涉及一种聚氨酯弹性体材料的制备方法。
背景技术
在20世纪90年代逐步发展起来的电活性聚合物(electroactive polymer，EAP)，其特性是在电刺激下发生大的形状变化，这使得许多科学家和研究人员致力于改造EAP材料，并扩大了高分子材料的应用范围。EAP材料的行为模式类似于生物肌肉，具有高断裂性、固有振动阻尼、大驱动应变等特点，因此，常将其作为“人工肌肉”的代名词。EAP材料可以比常规压电陶瓷提供更大的应变，通常可达到380％的应变变形，国内也有类似的实验验证了该程度的大应变变形，在同样的应变条件下，EAP适用于更多的应用需求。
一般来说，EAP材料可以分为电子型EAP和离子型EAP，具有不同的行为模式。如电子型EAP的驱动是利用电场或库仑力，可分为电致伸缩弹性体、介电弹性体、铁电聚合物；离子型EAP的驱动原理是利用离子的扩散或迁移，有碳纳米管、导电聚合物、聚合物凝胶、离子聚合物-金属复合材料等种类，不同类型的EAP材料具有不同的优、缺点，从而应用在不同场合。其中，归属于电子型EAP的介电弹性体材料(dielectric elastomer，DE)广泛应用于致动器、传感器、发电机等，具有良好的应用性能。
现有技术中提高弹性体介电常数的方法主要有两种：一是通过填充高用量高介电常数的陶瓷填料，比如铌镁酸铅(PMN)、镧锆钛酸铅。但是大量填充陶瓷体填料使得弹性体的模量提高，降低了弹性体的柔韧性和力学变形能力，并且复合材料成型过程也比较困难，难以制备成微米级的薄膜，材料缺陷也比较多，容易导致电击穿。所有这些缺陷使得用陶瓷填充的弹性体的加工和使用性能降低；一种是填充导体或者是半导体填料。比如说：纳米银线、石墨烯、碳纳米管等。当导电粒子的含量达到逾渗阈值时，材料会发生从绝缘体到导体的转变，但是当导电粒子含量接近逾渗值但没有达到逾渗值时，介电常数能够达到最大，这是由电子位移极化引起的；当导电粒子含量达到或者超过逾渗值时，导电粒子的间距变小，粒子间发生迁移，形成导电通路，从而导致较大的介电损耗，电击穿强度降低，材料被破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚氨酯弹性体材料的制备方法，该方法制备的聚氨酯弹性体材料具有很高的介电常数和力学性能。
一种聚氨酯弹性体材料的制备方法，所述方法包括：
将端羟基的丁二烯-丙烯腈共聚物(HTBN)放入四口烧瓶中，于真空条件下在100-110℃除水2-3h；
待温度降到室温，再加入异氰酸脂，并在氮气气氛下反应2-3h；
待温度再次降到室温时，加入扩链剂，并于60-70℃下反应1～2h；
在反应结束后将所得材料放入模具中，热压成型后放到90-100℃的烘箱中固化20-24h，得到所述聚氨酯弹性体材料。
所使用各原材料的质量分数分别为：
80-88份的HTBN，6-10份的异氰酸脂，以及6-10份的扩链剂，且上述各原材料的总份数为100。
所述异氰酸脂包括：六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、液化4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(L-MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)。
所述扩链剂为1,4-丁二醇BDO。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法所制备的聚氨酯弹性体材料具有很高的介电常数和力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所述聚氨酯弹性体材料的制备方法流程示意图；
图2为本发明所举三个实例测试所得介电常数与频率的关系示意图；
图3为本发明所举三个实例测试所得应力与应变之间的关系。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例所述方法通过对丁腈橡胶进行改性，使其分子链两端为羟基，与异氰酸酯和二元醇发生化学反应，合成含有极性基团的聚氨酯弹性材料，极性基团的加入，使得分子链的运动能力和极化能力大大增强，能够有效的提高聚氨酯材料的介电常数。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所述聚氨酯弹性体材料的制备方法流程示意图，所述方法包括：
步骤11：将端羟基的丁二烯-丙烯腈共聚物(HTBN)放入四口烧瓶中，于真空条件下在100-110℃除水2-3h；
该步骤中，上述HTBN中丙烯腈含量为10.4％。
步骤12：待温度降到室温，再加入异氰酸脂，并在氮气气氛下反应2-3h；
步骤13：待温度再次降到室温时，加入扩链剂，并于60-70℃下反应1～2h；
步骤14：在反应结束后将所得材料放入模具中，热压成型后放到90-100℃的烘箱中固化20-24h，得到所述聚氨酯弹性体材料。
具体实现中，上述所使用各原材料的质量分数分别为：
80-88份的HTBN，6-10份的异氰酸脂，以及6-10份的扩链剂，且上述各原材料的总份数为100。
另外，上述异氰酸脂可以包括：六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、液化4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(L-MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)。
所述扩链剂可以为1,4-丁二醇(BDO)。
下面再以具体的实例对上述制备方法及所得到的聚氨酯弹性体材料的性能进行详细说明：
实例1、将合成所得HTBN放入四口烧瓶中，真空条件下在100～110℃除水2h；
待温度降到室温，加入计量好的六亚甲基二异氰酸酯HDI，在氮气气氛下反应3h；
待温度再次降到室温，加入BDO，于60℃下反应1-2h；
反应结束后将材料放入模具中，热压成型，随后放到100℃的烘箱中固化24h，得到所述聚氨酯弹性体材料。
实例2、制备方法与实例1相同，不同的是将6-10份的HDI改为6-10份的液化4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(L-MDI)。
实例3、制备方法与实例1相同，不同的是将6-10份的HDI改为6-10份的甲苯二异氰酸酯TDI。
下面对上述三个实例所得到的聚氨酯弹性体材料的力学性能、体积电阻率和介电常数进行测定：
首先将聚氨酯弹性体材料裁成工作区长度为20mm，宽为4mm的哑铃型拉伸样条。采用美特斯工业***(中国)有限公司的万能拉力机。拉伸速度为50mm/min。
再将聚氨酯弹性体材料裁成厚度为1mm,直径为10mm的圆片，上下表面覆盖上电极，放入仪器中即可。采用德国Novocontrol公司的宽频介电阻抗分析仪。介电阻抗分析仪测试其在室温下101-107的频率范围内的介电常数。
上述体积电阻率采用EST121型数字超高电阻、微电流测量仪测定。
最终测试结果，如图2所示为本发明所举三个实例测试所得介电常数与频率的关系示意图，如图3所示为本发明所举三个实例测试所得应力与应变之间的关系，下表1为三个实例测试所得的体积电阻率对比：
表1
体积电阻率Ω·mm
实施例1 5.41×1012
实施例2 2.66×1012
实施例3 4.07×1012
由此可见：按照本发明制备方法所得到的聚氨酯弹性体材料的介电常数相对于传统的聚氨酯材料可以提高1.5-2倍，具有很高的介电常数和力学性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种聚氨酯弹性体材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将端羟基的丁二烯-丙烯腈共聚物(HTBN)放入四口烧瓶中，于真空条件下在100-110℃除水2-3h；
待温度降到室温，再加入异氰酸脂，并在氮气气氛下反应2-3h；
待温度再次降到室温时，加入扩链剂，并于60-70℃下反应1～2h；
在反应结束后将所得材料放入模具中，热压成型后放到90-100℃的烘箱中固化20-24h，得到所述聚氨酯弹性体材料。
2.根据权利要求1所述聚氨酯弹性体材料的制备方法，其特征在于，所使用各原材料的质量分数分别为：
80-88份的HTBN，6-10份的异氰酸脂，以及6-10份的扩链剂，且上述各原材料的总份数为100。
3.根据权利要求1或2所述聚氨酯弹性体材料的制备方法，其特征在于，
所述异氰酸脂包括：六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、液化4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(L-MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)。
4.根据权利要求1所述聚氨酯弹性体材料的制备方法，其特征在于，
所述扩链剂为1,4-丁二醇(BDO)。
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