植物油基介电弹性体薄膜的制备及其定向驱动

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介电弹性体薄膜(dielectric elastomer,DE)是一种在外加电场下可变形的电活性聚合物,能够将电能转化成机械能,是制备柔性驱动器、软体机器人的关键驱动材料。然而传统的DE薄膜一般为力学各向同性的材料,驱动时厚度上被压缩,平面内均匀扩张。在应用时为了实现高效的能量定向输出,需要不对称预拉伸DE薄膜或引入硬质框架等才可实现驱动器定向驱动变形。这会带来DE薄膜应力松弛,性能衰减,甚至驱动器机电转换效率低,结构复杂等问题。开发本征力学各向异性DE薄膜则可直接进行定向驱动变形,进一步提高其驱动性能,因此本文通过引入一种支链带有不饱和碳碳双键的植物油基丙烯酸酯类功能单体,与丙烯酸正丁酯共聚改性制备DE薄膜,使得DE薄膜中含有大量不饱和碳碳双键。该DE薄膜中的不饱和碳碳双键可在紫外光照下进一步发生巯基-烯点击反应,通过控制光照掩膜版的图案和光照时间可调控DE薄膜被光照区域的模量。当DE薄膜被光照区域图案为平行对称排列的条杠时,其表现出力学各向异性,可实现定向驱动变形。主要研究内容如下:(1)植物油基丙烯酸酯类功能单体(OBMA)的合成及其共聚改性DE薄膜的制备与性能表征。由三油酸甘油酯经酯交换反应改性合成了OBMA,将其与丙烯酸正丁酯(BA)本体共聚合制备了初始DE薄膜,P(BA-r-OBMA)。经研究发现:当引发剂(AIBN)为共聚单体摩尔总量的0.17 mol%,OBMA占比为20 mol%时,DE薄膜具有最佳综合机械性能,其初始模量为0.28 MPa,断裂强度为0.85 MPa,断裂伸长率为420%。(2)可紫外光交联的植物油基复合DE薄膜制备与表征及其驱动性能研究。采用四氢呋喃浸泡溶胀法将双巯基交联剂(DODT)和光引发剂2959复合到P(BA-r-OBMA)薄膜中,制备可紫外光交联的复合DE薄膜。其最优配方及固化工艺为:OBMA含量为20 mol%,DODT用量为OBMA摩尔量的0.5倍;当光照时间为0-12 min时,光照区域会发生巯基-烯点击交联反应,复合DE薄膜的初始模量从0.28MPa到3.0 MPa连续可调。另外,基于未光照的复合DE薄膜制备的圆形DE驱动器可实现最大37%的驱动应变。(3)力学各向异性植物油基复合DE薄膜的制备及其性能研究。基于最优配方及工艺下制备的P(BA-r-20 mol%OBMA)薄膜,通过具有平行排布条杠图案的光照掩膜板进行紫外光照射,使光照区域发生交联,获得具有相应交联图案的DE薄膜,实现薄膜的力学各向异性。经研究发现:固定光照区域的平行条杠宽度为1 mm,随着条杠数增加,当平行于条杠排列方向时,DE薄膜的初始模量从1条时的0.58 MPa提高到了5条时的2.5 MPa;而在垂直方向上,初始模量变化很小,仅从0.30 MPa提高到了0.37MPa。基于该力学各向异性DE薄膜制备了圆形驱动器,表现出很好的定向驱动变形性能,对其进行的力学模拟也得到了同样的结果。为了进一步探究条杠分布对DE薄膜性能的影响规律,采用力学模拟对矩形DE驱动器的驱动性能进行了模拟预测。结果为:在同一紫外光照面积占比(30%)下,随着平行条杠数的增加(条杠的宽度相应减小),垂直于条杠方向上的驱动应变先提高后稳定在6%,平行方向上先降低后稳定在1%。基于模拟结果制备了不同条杠数量的DE弯曲驱动器,在条杠数达到12时表现出最佳弯曲性能,其端点位移和输出力分别达到了14 mm和600 m N,并由三个弯曲驱动器组装了可搬运物体的软体抓手。基于掩膜板图案化设计的灵活性和紫外光照时长的可控性,该工艺可对DE薄膜局部模量进行精密调控,实现DE薄膜复杂多样的定向驱动变形,有望扩展多功能DE驱动器的制备与应用领域。
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