CN107141770A - 一种电致伸缩性复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电致伸缩性复合材料及其制备方法和应用，本发明利用50‑60％TPU颗粒、10‑20％碳纳米管和20‑30％纳米钛酸钡、1‑5％纳米银颗粒、1‑10％纳米纤维素和5‑20％的玻璃纤维制备得到电致伸缩复合材料，各组分之间相互配合，协同作用，使得其电致伸缩率可高达22‑24.5％，可应用于功能性材料领域，具有很好的应用前景。

Description

一种电致伸缩性复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种电致伸缩性复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
电致伸缩复合材料是在电场的作用下能产生伸缩运动，从而实现电能-机械能转换的一种材料。电致伸缩复合材料由于其电能-机械能转换中类似肌肉的运动形式又被称为人工肌肉材料。现有技术中的基于电致伸缩复合材料的电能-机械能转化的材料和器件中，所述的电致伸缩复合材料主要是以单组分的材料形成，其驱动电压较高、输出应力较小，使得其性能与肌肉相比还有较大的差距。
CN 101604727A公开了一种电致伸缩复合材料，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个谈纳米管。其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多个陶瓷颗粒。该发明制备得到的材料的电致伸缩率仅为1-8％。
在本领域中，期望得到一种电致伸缩率更大的复合材料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电致伸缩性复合材料及其制备方法和应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种电致伸缩性复合材料，所述电致伸缩性复合材料包括如下重量百分比的原料组分：
在本发明所述的电致伸缩性复合材料的原料中，所述TPU颗粒的重量百分比为50-60％，例如51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％或60％。
在本发明所述的电致伸缩性复合材料的原料中，所述碳纳米管的重量百分比为10-20％，例如10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％。
优选地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。
在本发明所述的电致伸缩性复合材料的原料中，所述纳米钛酸钡的重量百分比为20-30％，例如21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％。
在本发明所述的电致伸缩性复合材料的原料中，所述纳米银颗粒的的重量百分比为1-5％，例如1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％。
在本发明所述的电致伸缩性复合材料的原料中，所述纳米纤维素量为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％。
在本发明所述的电致伸缩性复合材料的原料中，所述玻璃纤维的用量为5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％或10％。
另一方面，本发明提供了如本发明第一方面所述的电致伸缩性复合材料的制备方法，所述方法为将各原料成分预先干燥，混合均匀，挤出得到所述电致伸缩性复合材料。
在本发明所述电致伸缩性复合材料的制备方法中，所述干燥温度为50-60℃，例如50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃，干燥时间为1-2h。
在本发明所述电致伸缩性复合材料的制备方法中，所述挤出利用流延机挤出。
优选地，所述流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃。
作为本发明的优选技术方案，本发明所述电致伸缩性复合材料的制备方法包括以下步骤：
将各原料成分预先在50-60℃下干燥1-2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
另一方面，本发明提供了如本发明第一方面所述的电致伸缩性复合材料在功能性材料领域的应用。例如，本发明的电致伸缩性复合材料可用于人造肌肉、电敏感材料、传感器等领域。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明利用50-60％TPU颗粒、10-20％碳纳米管和20-30％纳米钛酸钡、1-5％纳米银颗粒、1-10％纳米纤维素和5-10％的玻璃纤维制备得到电致伸缩复合材料，各组分之间相互配合，协同作用，使得其电致伸缩率可高达22-24.5％，可应用于功能性材料领域，具有很好的应用前景。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
在本实施例中，电致伸缩性复合材料主要由以下重量百分比的原料制备得到：
制备方法包括以下步骤：
将各原料成分预先在50℃下干燥2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为140℃；滤网温度为150℃；弯头温度为160℃；连接温度为135℃；模头温度为150℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
实施例2
在本实施例中，电致伸缩性复合材料包括如下重量百分比的原料组分：
制备方法包括以下步骤：
将各原料成分预先在60℃下干燥1.5h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为140℃；滤网温度为140℃；弯头温度为150℃；连接温度为150℃；模头温度为165℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
实施例3
在本实施例中，电致伸缩性复合材料包括如下重量百分比的原料组分：
制备方法包括以下步骤：
将各原料成分预先在55℃下干燥1h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为135℃；滤网温度为145℃；弯头温度为160℃；连接温度为135℃；模头温度为150℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
实施例4
在本实施例中，电致伸缩性复合材料包括如下重量百分比的原料组分：
制备方法包括以下步骤：
将各原料成分预先在60℃下干燥1h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为140℃；滤网温度为145℃；弯头温度为155℃；连接温度为150℃；模头温度为165℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
实施例5
在本实施例中，电致伸缩性复合材料主要由以下重量百分比的原料制备得到：
制备方法包括以下步骤：
将各原料成分预先在50℃下干燥2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130℃；滤网温度为150℃；弯头温度为155℃；连接温度为150℃；模头温度为155℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于用硅橡胶弹性体代替聚酯型TPU颗粒，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于用氧化铝代替纳米钛酸钡，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1不同之处在于不使用碳纳米管，纳米钛酸钡的用量为35％，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例4
本对比例与实施例1不同之处在于本对比例与实施例1不同之处在于不使用纳米钛酸钡，碳纳米管的用量为35％，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例5
本对比例与实施例1不同之处在于不使用纳米银颗粒，碳纳米管的用量为16％，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例6
本对比例与实施例1不同之处在于不使用玻璃纤维，聚酯型TPU颗粒的用量为64％，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例7
本对比例与实施例1不同之处在于不使用纳米纤维素，纳米银颗粒的用量为3％，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例8
本对比例与实施例1不同之处在于不使用纳米银颗粒，纳米纤维素的用量为3％，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对实施例1-5以及对比例1-7制备得到的电致伸缩复合材料施加40伏特的电压，测定材料的电致伸缩率，结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，本发明实施例1-5制备的电致伸缩材料的电致伸缩率为22-24.5％，而当用硅橡胶弹性体代替TPU颗粒(对比例1)或用另一种陶瓷颗粒氧化铝代替纳米钛酸钡(对比例2)时，或者不使用碳纳米管(对比例3)或不使用纳米钛酸钡(对比例4)或不使用纳米银颗粒(对比例6)，或者不使用纳米纤维素或不使用纳米银颗粒，而增加另一种材料的用量，但是仍然不能使得复合材料的电致伸缩率有显著的提高，但不使用玻璃纤维时，虽然电致伸缩率可达到15％，但是仍然比本发明的复合材料的电致伸缩率低。因此，本发明中各原料组分之间相互协调，相互配合使得材料电致伸缩率获得了显著提高，本发明的电致伸缩复合材料可以用于功能性材料领域，具有广泛的应用前景。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的电致伸缩性复合材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种电致伸缩性复合材料，其特征在于，所述电致伸缩性复合材料包括如下重量百分比的原料组分：
2.根据权利要求1所述的电致伸缩性复合材料，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的电致伸缩性复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法为将各原料成分预先干燥，混合均匀，挤出得到所述电致伸缩性复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为50-60℃，干燥时间为1-2h。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述挤出利用流延机挤出；
优选地，所述流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法包括以下步骤：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1-2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃，得到所述电致伸缩性复合材料。
7.根据权利要求1或2所述的电致伸缩性复合材料在功能性材料领域的应用。
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