用于智能纺织品的电致变形驱动器件的制备与性能研究

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柔性驱动器是一种能将外界刺激(光、电、热等)转换为机械能的智能柔性执行器件,它打破了现有动力元件僵硬外壳的传统设定,在软体机器人、微型驱动器以及智能纺织品等领域有着广泛的应用前景。介电弹性体材料,又被称为“人工肌肉”,它能在外电场作用下产生应变,基于介电弹性体材料设计的智能柔性驱动器件因其拥有变形大、成本低、质量轻、制备简单、高机电耦合效率(约90%)、响应迅速等优异性能而备受关注。然而,当下的介电弹性体驱动器仍面临驱动电压大以及变形小的问题。从介电弹性体的驱动机理出发,降低驱动器的驱动电压以及提升驱动器的电致变形最行之有效的方法是降低弹性模量以及提高介电常数。本课题选取聚氨酯介电弹性体作为驱动器基体材料,通过在聚氨酯基体中掺杂增塑剂以及纳米导电填料来降低材料弹性模量、提升介电常数。对制备得到的介电弹性体薄膜进行力学、介电、电致变形等性能的表征分析,结果表明均具有良好的机电性能。最后将聚四氟乙烯(PTFE)织物与性能最优的介电弹性体薄膜驱动器相结合,制备了纺织基介电弹性体柔性驱动器。主要研究内容及成果如下:首先制备了甘油-热塑性聚氨酯介电弹性体复合材料并对其性能进行了测试研究。将小分子的甘油作为增塑剂掺杂到热塑性聚氨酯基体中,探究不同质量分数的甘油掺杂到热塑性聚氨酯基体后,介电弹性体复合材料内部氢键的变化以及甘油的加入对聚氨酯的力学、介电以及电致变形性能所造成的影响。甘油的加入不仅降低了介电弹性体薄膜的弹性模量,还因为其重塑了聚氨酯分子链的氢键结构,提升了聚氨酯复合材料的偶极极化以及界面极化能力,进而提升了介电常数;最终该介电弹性体材料通过降低弹性模量以及提升介电常数的双重耦合作用达到提升电致变形性能的效果。结果表明:添加甘油质量分数为30%的介电弹性体复合材料在23.30 k V/mm的电场下的电致应变值可达9.24%,这比相同电场下纯聚氨酯(0.83%)的电致应变值提升了约1000%。然后制备了功能化石墨烯-热塑性聚氨酯介电弹性体复合材料并对其性能进行了测试研究。选取纳米导电填料中的石墨烯作为功能填料掺杂到聚氨酯基体中,用于提升介电弹性体薄膜的介电性能以及电致变形性能。针对石墨烯填料在聚合物基底中分散性差的问题,利用在氧化石墨烯表面接枝超支化聚芳酰胺的方式来提高其分散性以及介电性能。此外,将接枝成功的功能化石墨烯导电填料以不同比例掺杂到聚氨酯基体中,制备了功能化石墨烯-聚氨酯介电弹性体薄膜,并对该薄膜的力学、介电及电致变形性能等进行研究。结果表明:添加导电填料质量分数为3%时的介电弹性体薄膜在22.80 k V/mm的电场下的电致应变值可达16.29%,约为同电场下纯聚氨酯的电致应变值(~0.80%)的20.36倍。最后,选取最优的介电弹性体薄膜材料与PTFE织物复合,制备了一种长条状的柔性驱动器,并成功实现了两种形式的弯曲。
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