一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料制造技术

本发明专利技术公开了一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料及其制备方法，所述介电复合材料通过旋涂法制备，底层为纯硅橡胶，上层为非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层。将非共价改性剂修饰到碳纳米管表面，修饰后的碳纳米管在超声辅助下分散到硅橡胶基体中，将该混合溶液单次或多次旋涂于纯硅橡胶薄膜上，最后经过固化得到具有非对称介电性能的多层改性碳纳米管硅橡胶介电弹性体复合材料。利用该方法制备的介电复合材料有效的避免了因碳纳米管团聚而导致材料击穿强度大幅降低的问题，并且有效的提高了硅橡胶在厚度方向上的电致形变。

A Multilayer Asymmetric Modified Carbon Nanotubes Silicone Rubber Dielectric Composite

The invention discloses a multilayer asymmetrically modified carbon nanotube silicone rubber dielectric composite material and a preparation method thereof. The dielectric composite material is prepared by spin coating method. The bottom layer is pure silicone rubber, and the upper layer is a non-covalently modified carbon nanotube silicone rubber composite layer. The non-covalent modifier was modified on the surface of carbon nanotubes. The modified carbon nanotubes were dispersed into the silicone rubber matrix with the aid of ultrasound. The mixed solution was spin-coated on the pure silicone rubber film one or more times. Finally, the multi-layer modified carbon nanotubes silicone rubber dielectric elastomer composite with asymmetric dielectric properties was obtained by curing. The dielectric composites fabricated by this method can effectively avoid the problem that the breakdown strength of materials is greatly reduced due to the agglomeration of carbon nanotubes, and effectively improve the Electro-induced deformation of silicone rubber in the thickness direction.

【技术实现步骤摘要】
一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料
本专利技术涉及刺激响应智能聚合物复合材料领域，具体涉及一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料及其制备方法。
技术介绍
介电弹性体是具有高介电常数的弹性体材料，在外界电刺激下可改变形状和体积，因此可以实现电动能转换，是电活性聚合物的一个新兴领域。介电弹性体具有质轻、易加工、无噪声、高延展性和价格低廉等优点，是制备高性能驱动器的理想材料。介电弹性体驱动器的工作原理可用公式表示：S=-ε0εrE2⁄Y，S为弹性体的电致形变，=8.854×10-12F·m-1为真空介电常数，为弹性体薄膜的相对介电常数，Y为杨氏模量，E为施加电场强度（RonPelrine,RoyKornbluh,QibingPei,JoseJoseph,High-speedelectricallyactuatedelastomerswithstraingreaterthan100%,Science,2000,287(5454):836-839）。可见介电弹性体的电机械相应能力与该材料的介电常数成正比，与杨氏模量成反比。硅橡胶基介电弹性体具有优异的弹性、耐久性和快速响应性，已经被广泛应用于电致驱动器领域中。但是纯的硅橡胶介电常数较低，通常需要较高的激励电场才能产生令人满意的电致形变，这极大的限制了其应用。近年来采用纳米陶瓷或者导电纳米粒子对其进行功能化改性成为了提高硅橡胶介电弹性体的介电常数和电致形变的重要方法。例如，YanjuLiu等（YanjuLiu,LiwuLiu,ZhenZhang,JinsongLeng,Dielectricelastomerfilmactuators:characterization,experimentandanalysis,SmartMaterialsandStructures,2009,18(9):095024）将钛酸钡加入到硅橡胶基体中，制备了高介电常数的介电复合材料。但是由于陶瓷填料硬度高，介电常数提高的同时，模量也大幅增加，导致复合材料电致形变能力下降。同时由于陶瓷材料与硅橡胶基体相容性差，难以均匀分散，使得材料的击穿场强下降。另外，对于均质的介电弹性体来说，即便通过外加填料的方式使得其介电常数大幅提高，其电致形变一般都被限制在平板状介电复合材料所在平面内，很少能够在厚度方向上获得高的电致形变。中国专利申请号：201510814610.X《一种导电高分子非共价修饰石墨烯改性电动能转换聚合物材料的方法》采用非共价键功能化的石墨烯改性聚氨酯介电弹性体，制备了一种均质的电动能转换复合材料。该材料在32.2MV/m的电场作用下厚度方向上的电致形变值达到162%。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，在厚度方向上具有优异的电致形变性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，所述介电复合材料包括底层和上层的多层结构，底层是纯硅橡胶，上层是非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层，该复合材料层的层数为一层，两层或者三层。进一步地，所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，改性碳纳米管硅橡胶复合材料层中的碳纳米管添加量按质量百分含量计为0.05-0.3%，碳纳米管可以是长度为0.1-20μm的单壁、双壁、或多壁碳纳米管。进一步地，所述非共价改性碳纳米管的制备方法为：采用溶剂蒸发诱导自组装的方法，利用多苯环基团封端的聚二甲基硅氧烷线性分子对碳纳米管进行非共价改性，非共价改性剂与碳纳米管的质量比在1:1-7:1之间。进一步地，所述用于对聚二甲基硅氧烷线性分子封端的多苯环基团包括萘、蒽、菲、芘中的一种。进一步地，纯硅橡胶层厚度为10-100μm，改性碳纳米管硅橡胶复合材料层每层厚度为10-100μm。进一步地，所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，在1kHz频率下的介电常数为2.0-500，在1kHz频率范围内其介电损耗为0.009-0.8，杨氏模量为8.0-15kPa。本专利技术所得一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，最显著的特点是复合材料具有层状非对称结构。具体的来说，复合材料的上层和底层分别具有不同的介电常数和杨氏模量，因此在电场作用下材料两侧产生的电驱动形变量不同，从而使复合材料在厚度方向上的电致变形得以增强。本专利技术采用非共价方式改性碳纳米管，增强了碳纳米管在硅橡胶基体中的分散性，并且因非共价改性剂的加入显著降低了硅橡胶的弹性模量。通过碳纳米管的改性方法，还有效避免了因团聚而导致材料击穿强度大幅降低的问题。本专利技术所得复合材料的介电常数随改性硅橡胶层数的增加而增加，杨氏模量变化趋势相反。因此，增加改性碳纳米管硅橡胶层数可以显著增强复合材料在厚度方向上的电致变形。本专利技术还提供了所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料的制备方法，包括以下步骤：1）将碳纳米管溶解0.1-1.0份分散至溶解有非共价改性剂的有机溶剂100份中得到改性碳纳米管分散液，控制改性剂与碳纳米管的质量比在1:1-7:1之间，超声分散均匀后静置30-120min；2）随后将硅橡胶主料加入到步骤1）所述的改性碳纳米管分散液中，得到混合溶液，控制碳纳米管占硅橡胶主料的质量分数为0.05%-0.3%，超声分散均匀后静置30-120min；3）在涂膜之前，向步骤2）所得的混合溶液中加入硅橡胶固化剂，得到复合材料层溶液，搅拌混合均匀并脱气后静置备用；4）涂膜及固化将硅橡胶主料与固化剂混合，搅拌均匀并脱气后，在一定的转速下旋涂成膜，经高温固化后得到纯硅橡胶底层；将步骤3）所述复合材料层溶液旋涂在纯硅橡胶底层之上，经固化和冷却后，得到顶层为一层改性碳纳米管硅橡胶复合材料的多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料；重复旋涂步骤3）所述复合材料层溶液，可得到上层为两层和三层改性碳纳米管硅橡胶复合材料的多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料。进一步，步骤1）中分散碳纳米管所用有机溶剂为四氢呋喃，石油醚，正己烷中的任一种。进一步，步骤2）中所述硅橡胶主料为含乙烯基的聚二甲基硅氧烷，步骤3）所述固化剂为含硅氢基的小分子硅氧烷。进一步，步骤4）中底层纯硅橡胶的旋涂转速为2000-5000rpm；上层改性碳纳米管硅橡胶复合材料层的旋涂转速为500-2000rpm。进一步，步骤4）中每次经旋涂后的样品应立即转移至80-150℃烘箱中固化，固化时间为10-240min。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：利用该方法制备的多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料的底层为低介电常数高弹性模量的纯的硅橡胶层，上层为高介电常数低弹性模量的改性碳纳米管硅橡胶层。当改性碳纳米管硅橡胶层中碳纳米管的含量为0.1%，改性碳纳米管硅橡胶复合材料层为一层，两层和三层时，复合材料在1kHz频率下对应的介电常数分别为58，76和92；对应的杨氏模量为10.3，8.4和7.8；在35MV/m的电场作用下，在复合材料厚度方向上，从一层到三层所对应的电致形变值分别为其自身厚度的232%，368%和389%。比作为对比样品的纯硅橡胶膜的121%的电致形变分别高出91.7%，204%和221%。附图说明图1是实施例1中改性碳纳米管硅橡胶复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述介电复合材料包括底层和上层的多层结构，所述底层为纯硅橡胶层，所述上层为非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层，所述上层的层数为一层，两层或者三层。

【技术特征摘要】
1.一种多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述介电复合材料包括底层和上层的多层结构，所述底层为纯硅橡胶层，所述上层为非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层，所述上层的层数为一层，两层或者三层。2.根据权利要求1所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层中的碳纳米管添加量按质量百分含量计为0.05-0.3%，所述碳纳米管为长度为0.1-20μm的单壁、双壁或多壁碳纳米管。3.根据权利要求1所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述非共价改性碳纳米管的制备方法为，采用溶剂蒸发诱导自组装的方法，利用非共价改性剂对碳纳米管进行非共价改性，非共价改性剂与碳纳米管的质量比在1:1-7:1之间，所述非共价改性剂为多苯环基团封端的聚二甲基硅氧烷线性分子。4.根据权利要求3所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述用于对聚二甲基硅氧烷线性分子封端的多苯环基团包括萘、蒽、菲、芘中的一种。5.根据权利要求1所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述纯硅橡胶层厚度为10-100μm，所述非共价改性碳纳米管硅橡胶复合材料层每层厚度为10-100μm。6.根据权利要求1所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，其特征在于：所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料，在1kHz频率下的介电常数为2.0-500，杨氏模量为8.0-15kPa。7.一种权利要求1-6所述多层非对称改性碳纳米管硅橡胶介电复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）将碳纳米管溶解0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟天亮，熊莎，吴任刚，何宇洋，张春梅，刘建生，刘聪，任柏春，姜婷丽，戴亚超，黄安龙，
申请(专利权)人：贵州省建材产品质量监督检验院，
类型：发明
国别省市：贵州,52