论文部分内容阅读
介电弹性体是一类能感应电场并将电能转换成机械能的电活性聚合物,但介电弹性体发展面临的最大的问题就是如何提高介电常数、降低介电损耗,同时保证较低的弹性模量。要获得大电致形变需要很大的驱动电压,对人体和设备的安全造成一定的威胁,并且限制了介电弹性体在生物医学领域的应用。首次通过π-π电子作用和氢键作用实现了氧化石墨烯(GO)和纳米碳球(CNS)简单有效的自组装,制备了氧化石墨烯包覆纳米碳球(GO@CNS)核壳杂化粒子。以羧基丁腈橡胶为基体,采用乳液复合法和原位热还原法制备了RGO@CNS/XNBR高性能的介电弹性体复合材料。CNS的填充以及GO@CNS的定向分布形成的隔离网络降低GO的用量,从而降低逾渗阈值,也降低复合材料的弹性模量。原位热还原修复了壳层GO的共轭结构,提高了核壳杂化粒子与基体的界面极化能力,从而提高了复合材料的介电性能。当RGO@CNS用量为0.75vol.%时,复合材料103Hz处的介电常数提高到400,是纯XNBR的近20倍,同时介电损耗保持在较低水平(在103Hz处小于0.65),弹性模量只有稍微的增加。同时在较低的电场强度下就能获得较大的电致形变,如电场强度为7kV/mm时,0.5vol.%RGO@CNS/XNBR复合材料的电致形变达到5.68%,是纯XNBR的2倍;电场强度为2kV/mm时,0.75vol.%RGO@CNS/XNBR复合材料的电致形变达到3.06%,是纯XNBR的13倍。用多巴胺仿生修饰GO,建立了一种可控的纳米介电填料表面包覆有机层的方法。以羧基丁腈橡胶为基体,采用乳液复合法制备石墨烯介电弹性体复合材料。控制聚多巴胺(PDA)有机层的厚度,从而调控复合材料的电力学性能。PDA的引入解决了GO在聚合物基体中的自聚问题。多巴胺浓度不超过0.75g/L时,调节多巴胺的浓度,可精确调控PDA有机层的厚度,从而实现复合材料电力学性能的可调控性。PDA的引入降低了复合材料的介电损耗和弹性模量,提高了击穿强度和绝缘性能。多巴胺浓度在0.5g/L以内,GO-PDA/XNBR的综合性能包括介电性能,绝缘性能和驱动性能较好。本文制备的高介电、低损耗、低模量和低驱动电压大电致形变的RGO@CNS/XNBR介电弹性体复合材料和通过多巴胺仿生修饰制备的介电性能和驱动性能可调控的GO-PDA/XNBR介电弹性体复合材料为介电弹性体在生物医学领域的应用和发展提供了研究思路。