【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于介电弹性体，具体而言，涉及一种改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、介电弹性体是一种电活性聚合物，在航空航天领域、生物医学领域、柔性可穿戴电子领域都有着广泛的应用。介电弹性体能够在电场的作用下改变自身的形状，当外部电场刺激撤去时能恢复到原来的形状，在此过程中产生作用力和应变，可将电能转化为机械能。
2、介电弹性体驱动性能的关系式是：-sz＝ε0εre2/y，式中sz为材料沿外电场方向上的形变量，y是弹性模量，ε0和εr分别是材料在真空中的介电常数和材料的相对介电常数，e为施加的电场强度。要想提高材料的电致形变，可从提高材料的介电常数、增加其驱动电压、降低其弹性模量三方面入手。
3、聚氨酯因其本身具有较高的介电常数、良好的生物相容性、易于加工等优点，已经成为一种很有发展前景的介电弹性体材料。将聚合物和铁电陶瓷或者导体进行复合是获取高介电性能的常用方法。中国专利cn114409943a公开了一种使用钛酸钡铁电陶瓷材料填充聚氨酯提高介电常数的方法，但是刚性填料的加入会使得聚氨酯体系的弹性模量有所增加且体系的最高击穿场强并未发生明显变化仍维持在较低水平。
4、中国专利cn103183847b公开了一种使用导电石墨烯材料填充体系以求提高弹性体介电常数的方法，虽其模量并没有明显变大，但是导电填料用量接近逾渗阈值时易形成导电通路，材料的介电损耗升高且耐击穿能力大幅度下降，整个复合材料的综合性能变差，这大大地限制了聚氨酯体系在介电领域的广泛应用。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料及其制备方法和应用，该复合材料具有较高的击穿场强、较低的杨氏模量、较稳定的介电常数与较好的电致形变能力。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤:
3、(1)将二氧化硅分散于有机溶剂中，利用硅烷偶联剂对二氧化硅进行表面改性，得到改性二氧化硅；
4、(2)将聚醚多元醇与二异氰酸酯混合，在一定温度下反应，形成预聚物；
5、(3)将步骤(1)得到的改性二氧化硅加到步骤(2)中制备的预聚物中，在一定温度下反应，得到混合物；
6、(4)向步骤(3)得到的所述混合物中加入扩链剂、有机溶剂、催化剂、成盐剂和水，反应得到聚氨酯乳液，脱溶剂固化，得到介电弹性体复合材料。
7、上述制备方法中，改性二氧化硅的添加量为聚醚多元醇摩尔量的0.5％～5％。
8、上述制备方法中，所述硅烷偶联剂为链端带氨基基团。
9、优选地，所述硅烷偶联剂包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、n-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷和3-(苯基氨基)丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
10、上述制备方法中，所述二氧化硅与硅烷偶联剂的质量比为5:1～10:1，优选为25:3。
11、上述制备方法的步骤(1)中，在50～55℃下加入硅烷偶联剂、乙醇与水形成混合溶液，然后得到的所述混合物在80～85℃下反应3～4小时。
12、上述制备方法中，偶联反应后对所产生的固态产物进行离心分离，真空干燥。
13、上述制备方法中，所述聚醚多元醇与二异氰酸酯的物质的量比依据羟基与异氰酸酯基定量为1:2～1:4，例如2:5。
14、上述制备方法步骤(2)中，所述聚醚多元醇包括聚丙二醇、聚氧四亚甲基二醇、接枝型聚醚多元醇、杂环改性聚醚多元醇中的一种或多种；优选为聚丙二醇、聚氧四亚甲基二醇、四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇中的至少一种。
15、上述制备方法步骤(2)中，所述二异氰酸酯包括甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲苯-2,6-二异氰酸酯、甲苯-2,3-二异氰酸酯中的至少一种。
16、上述制备方法中，所述步骤(2)中预聚反应的条件为氮气保护下70～75℃反应1.5～2小时。
17、所述步骤(3)中，改性二氧化硅加入的量占聚醚多元醇摩尔量的0.5％～5％；
18、例如，0.5％，1％，1.5％，2％，2.5％，3％，3.5％，4％，4.5％，5％。
19、上述制备方法步骤(3)中，在70～75℃下继续反应20～30分钟；
20、上述制备方法中，所述改性二氧化硅与预聚物反应之前，还包括对改性二氧化硅超声分散的步骤。
21、上述制备方法中，所述扩链剂为侧链带羧基的亲水性基团；优选为二羟甲基丙酸和/或二羟甲基丁酸。
22、上述制备方法步骤(2)中，所述溶剂为四氢呋喃、甲苯、丙酮、乙醇、二甲基亚砜中的至少一种。
23、优选地，所述扩链剂的用量为聚醚多元醇醇羟基摩尔量的0.43～0.46倍。
24、上述制备方法中，所述催化剂为有机锡催化剂，优选包括二月桂酸二丁基锡、二醋酸二丁基锡、二(十二烷基硫)二丁基锡、二月桂酸二醋酸锡中的至少一种。
25、上述制备方法中，所述催化剂用量为扩链剂摩尔量的0.01～0.05倍。
26、上述制备方法中，所述溶剂选自四氢呋喃、甲苯、丙酮、乙醇、二甲基亚砜中的至少一种；
27、上述制备方法中，所述成盐剂的用量为聚醚多元醇中端基醇羟基的0.7～0.9倍；
28、优选地，所述成盐剂优选为挥发性的，更优选为三乙胺和/或氨水。
29、上述制备方法步骤(4)中，先加入扩链剂与催化剂，在50～70℃下反应1～3小时，再加入成盐剂，在35～45℃下反应8～12分钟，反应得到聚氨酯乳液。
30、具体的，所述制备方法包括：
31、(1)将二氧化硅与乙醇溶剂加入到三颈瓶中超声分散0.5～1小时，在50～55℃下向三颈瓶中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷、乙醇与水形成的混合溶液，上述混合物在80～85℃下反应3～4小时，对所得固体产物以3500～4000转/分钟的速率离心分离，乙醇洗涤干净，同样的步骤离心2～3次，每次离心5～7分钟，然后在50～60℃下真空干燥20～24小时，通过偶联反应得到3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性二氧化硅；
32、(2)将聚丙二醇加入到配有搅拌装置的四颈瓶中并通入氮气，逐滴加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，氮气保护下70～75℃下反应1.5～2小时；
33、(3)将3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性二氧化硅加入少量丙酮溶液中超声10～15分钟；将超声后混合物加入到步骤(2)得到的混合物中，在70～75℃下继续反应20～30分钟；
34、(4)将二羟甲基丙酸、丙酮溶剂与二月桂酸二丁基锡加入到步骤(3)得到的混合物中，在60～65℃下反应2～2.5小时；再加入三乙胺，在40～45℃下反应10～15分钟；加入水，高速搅拌进行破乳，持续反应1～本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为链端带氨基基团；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在50～55℃下加入硅烷偶联剂、乙醇与水形成的混合溶液，然后得到的所述混合物在80～85℃下反应3～4小时；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚多元醇与二异氰酸酯的物质的量比依据羟基与异氰酸酯基定量为1:2～1:4，例如2:5。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚多元醇包括聚丙二醇、聚氧四亚甲基二醇、接枝型聚醚多元醇、杂环改性聚醚多元醇中的一种或多种；
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中改性二氧化硅加入的量占聚醚多元醇摩尔量的0.5％～5％；
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述扩链剂为侧链带羧基的亲水性基团；优选为二羟甲基丙酸和/或二羟甲基丁酸；
8.根据权利要求1至5中任一项
9.一种改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的制备方法得到。
10.一种权利要求9中所述改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料在传感器、触发器、人工肌肉领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种改性二氧化硅/聚氨酯介电弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为链端带氨基基团；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在50～55℃下加入硅烷偶联剂、乙醇与水形成的混合溶液，然后得到的所述混合物在80～85℃下反应3～4小时；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚多元醇与二异氰酸酯的物质的量比依据羟基与异氰酸酯基定量为1:2～1:4，例如2:5。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚多元醇包括聚丙二醇、聚氧四亚甲基二醇、接枝型聚醚多元醇、杂环改性聚醚多元醇中的一种或多种；
6.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱燕超，王新茹，钱苗苗，姚力杨，金权哲，王晓峰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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