一种高介电石墨烯基弹性体复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，属于介电材料领域，包括弹性基体和分散在所述弹性基体中的石墨烯介电填料，所述石墨烯介电填料为表面负载多孔聚多巴胺的氧化石墨烯纳米片，其中，所述石墨烯介电填料与所述弹性基体的质量比例为(0.1

【技术实现步骤摘要】
一种高介电石墨烯基弹性体复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及介电材料
，具体涉及一种高介电石墨烯基弹性体复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]介电弹性体(Dielectric elastomer，DE)是具有高介电常数的、在电场作用下可发生形变的智能软材料，是一种电活性聚合物，可以将电能转化为机械能，在过去的二十几年中获得了广泛的关注，在DE薄膜的两侧涂覆柔性电极可以组成介电弹性体驱动器(Dielectric elastomer actuator，DEA)，当通过两个电极施加电压时，上下两个电极间产生的静电力压缩薄膜，导致薄膜厚度变小，表现为薄膜平面的伸张，发生电致形变；DEA在微型柔性机器人、微型航空器、平面扩音器、假肢器官、柔性传感器和绿色能量收集装置等领域具有广阔的应用前景。
[0003]一般来说，DE要求具有高的介电常数、击穿强度以及低的弹性模量和驱动电压。在提高介电常数方面，基于逾渗阈值理论，当导电填料的添加量接近逾渗阈值时，介电常数急剧增加，因此，掺杂一定的导电填料可以提高介电常数，但同时，导电填料的导电性以及与弹性基体间的界面相容性使弹性体的介电损耗大幅增加，导致击穿强度降低，影响安全性。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种高介电石墨烯基弹性体复合材料及其制备方法。
[0005]本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：
[0006]一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，包括弹性基体和分散在所述弹性基体中的石墨烯介电填料，所述石墨烯介电填料为表面负载多孔聚多巴胺的氧化石墨烯纳米片，其中，所述石墨烯介电填料与所述弹性基体的质量比例为(0.1-1.2)：100。
[0007]优选的，所述弹性基体为硅橡胶、天然橡胶、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯、乙烯醋酸乙烯酯橡胶、氯化聚乙烯橡胶及聚酰胺橡胶中的一种或多种。
[0008]优选的，所述石墨烯介电填料的制备方法包括以下步骤：
[0009]S1、称取1g的非离子型表面活性剂溶于去离子水中，配制为浓度1g/L的溶液，得到溶液A；称取0.32g的氧化石墨烯纳米片，超声分散在120ml的1mol/L的盐酸溶液中，得到溶液B；将溶液B加入到溶液A中，再加入10ml的30％的过氧化氢溶液和2.5g的三羟甲基氨基甲烷，将混合溶液升温至35-40℃，搅拌混合10-30min，得到溶液C；
[0010]S2、称取0.38g的盐酸多巴胺，加入到所述溶液C中，并充分溶解，继续搅拌30-60min，得到溶液D；称取3g的过硫酸铵配制为0.1mol/L的水溶液，并逐滴滴加到所述溶液D中，滴加速度5-6ml/min，滴加完毕后继续搅拌10-20min，转入聚四氟乙烯反应釜，在180-200℃下水热6-12h，冷却后滤出沉淀，分别以无水乙醇和去离子水洗涤，真空干燥。
[0011]优选的，所述非离子型表面活性剂为PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物。
[0012]优选的，所述氧化石墨烯纳米片的厚度为1～100nm，直径为100～200nm。
[0013]优选的，所述氧化石墨烯纳米片由Hummers法制备，包括以下步骤：
[0014]S1、将石墨粉、硝酸钠、浓硫酸和高锰酸钾混合反应，再与水混合得到第一混合物；
[0015]S2、将所述第一混合物与双氧水混合反应，过滤得到第一产物；
[0016]S3、将所述第一产物与盐酸溶液混合洗涤，离心得到第二产物；
[0017]S4、将所述第二产物重复S3与盐酸溶液混合洗涤的操作，直至所述第二产物的pH值低于等于5，且所述第二产物的溶液中无硫酸根离子。
[0018]优选的，所述复合材料具有多层叠加的复合结构，层数为2N+1层，N为大于1的整数，其中，第1层和第2N+1层中所述石墨烯介电填料的掺量为0，自第2层至第2N层中所述石墨烯介电填料的掺量依次递增再递减。
[0019]优选的，所述复合材料中，第N+1层中所述石墨烯介电填料的掺量最高。
[0020]优选的，所述弹性基体为乙烯醋酸乙烯酯橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、丙烯酸酯弹性体的一种或多种。
[0021]优选的，所述高介电石墨烯基弹性体复合材料的制备方法为：先按预设掺量制备不同石墨烯介电填料掺量的弹性体，成型后依次叠加组合，经热压处理后制得。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023](1)本专利技术以氧化石墨烯纳米片为导电填料，通过表面包覆多孔聚多巴胺改性，阻止填料之间的相互搭接形成导电通路，降低电导率，同时，多孔的聚多巴胺表层结构提高了填料与弹性基体间的相容性，降低界面极化造成的介电损耗，提高击穿强度。
[0024](2)通过设置多层结构，在不降低掺量的基础上，降低了整体弹性模量，同时，多层非均匀的渐变填充结构形成的介电差异导致电极电场在弹性体中重新分配，进一步提高击穿强度。
具体实施方式
[0025]结合以下实施例对本专利技术作进一步描述。
[0026]本专利技术的实施例涉及一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，包括弹性基体和分散在所述弹性基体中的石墨烯介电填料，所述石墨烯介电填料为表面负载多孔聚多巴胺的氧化石墨烯纳米片，其中，所述石墨烯介电填料与所述弹性基体的质量比例为(0.1-1.2)：100；
[0027]导电填料的掺杂可以提高弹性体的介电常数，但介电损耗也随电导率的提高而快速增大，本专利技术以氧化石墨烯纳米片为导电填料，通过表面包覆多孔聚多巴胺改性，一方面可以阻止填料之间的相互搭接形成导电通路，降低电导率，从而抑制介电损耗，另一方面，多孔的聚多巴胺表层结构提高了填料与弹性基体间的相容性，降低界面极化造成的介电损耗，提高击穿强度，进而提高综合电活性；
[0028]优选的，所述弹性基体为硅橡胶、天然橡胶、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯、乙烯醋酸乙烯酯橡胶、氯化聚乙烯橡胶及聚酰胺橡胶中的一种或多种；
[0029]优选的，所述石墨烯介电填料的制备方法包括以下步骤：
[0030]S1、称取1g的非离子型表面活性剂溶于去离子水中，配制为浓度1g/L的溶液，得到
溶液A；称取0.32g的氧化石墨烯纳米片，超声分散在120ml的1mol/L的盐酸溶液中，得到溶液B；将溶液B加入到溶液A中，再加入10ml的30％的过氧化氢溶液和2.5g的三羟甲基氨基甲烷，将混合溶液升温至35-40℃，搅拌混合10-30min，得到溶液C；
[0031]S2、称取0.38g的盐酸多巴胺，加入到所述溶液C中，并充分溶解，继续搅拌30-60min，得到溶液D；称取3g的过硫酸铵配制为0.1mol/L的水溶液，并逐滴滴加到所述溶液D中，滴加速度5-6ml/min，滴加完毕后继续搅拌10-20min，转入聚四氟乙烯反应釜，在180-200℃下水热6-12h，冷却后滤出沉淀，分别以无水乙醇和去离子水洗涤，真空干燥；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，包括弹性基体和分散在所述弹性基体中的石墨烯介电填料，其特征在于，所述石墨烯介电填料为表面负载多孔聚多巴胺的氧化石墨烯纳米片，其中，所述石墨烯介电填料与所述弹性基体的质量比例为(0.1-1.2)：100。2.根据权利要求1所述的一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，其特征在于，所述弹性基体为硅橡胶、天然橡胶、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯、乙烯醋酸乙烯酯橡胶、氯化聚乙烯橡胶及聚酰胺橡胶中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，其特征在于，所述石墨烯介电填料的制备方法包括以下步骤：S1、称取1g的非离子型表面活性剂溶于去离子水中，配制为浓度1g/L的溶液，得到溶液A；称取0.32g的氧化石墨烯纳米片，超声分散在120ml的1mol/L的盐酸溶液中，得到溶液B；将溶液B加入到溶液A中，再加入10ml的30％的过氧化氢溶液和2.5g的三羟甲基氨基甲烷，将混合溶液升温至35-40℃，搅拌混合10-30min，得到溶液C；S2、称取0.38g的盐酸多巴胺，加入到所述溶液C中，并充分溶解，继续搅拌30-60min，得到溶液D；称取3g的过硫酸铵配制为0.1mol/L的水溶液，并逐滴滴加到所述溶液D中，滴加速度5-6ml/min，滴加完毕后继续搅拌10-20min，转入聚四氟乙烯反应釜，在180-200℃下水热6-12h，冷却后滤出沉淀，分别以无水乙醇和去离子水洗涤，真空干燥。4.根据权利要求3所述的一种高介电石墨烯基弹性体复合材料，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨智诚，吕建根，卓献荣，杨永民，朱立学，
申请(专利权)人：仲恺农业工程学院，
类型：发明
国别省市：