高介电常数聚轮烷弹性体基复合材料的制备及性能研究

摘要

作为一种电活性高分子，介电弹性体在电场作用下能产生一定的形变，从而将电能转换为机械能，因此在传感器、机电换能器、机器人、执行器以及人工肌肉等领域有着广泛的应用前景。在一定的电场条件下，影响介电弹性体电致应变大小的因素主要是聚合物的介电常数和弹性模量，因而在保持聚合物弹性模量的同时提高聚合物的介电常数是本课题的研究目的。
　　本课题基于α-环糊精和聚乙二醇自组装出的准聚轮烷，利用2,4-二硝基氟苯进行封端，合成出超分子化合物聚轮烷。通过在羟丙基化改性之后的聚轮烷侧链上接枝聚己内酯，得到聚轮烷衍生物 HyPR-PCL。1H-NMR证明了聚轮烷及其衍生物的成功合成。并使用两种交联剂将HyPR-PCL进行交联，通过添加不同的填料制备出两种高介电常数聚轮烷弹性体材料。
　　（1）利用异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）将 HyPR-PCL进行交联并同时接枝酞菁铜齐聚物（CuPc），制备出全有机纳米复合材料(HyPR-PCL)-g-CuPc。FT-IR和ICP测试证明了接枝反应的成功，TEM分析表明，CuPc分子团聚在一起形成颗粒，并且均匀地分散在基体中，颗粒的大小仅为10~20 nm。DSC和TGA分析表明CuPc的添加提高了交联基体的热稳定性。
　　接枝复合薄膜的介电常数和介电损耗均随着 CuPc含量的增加而增加，100Hz时，酞菁铜含量为8 wt％的复合薄膜介电常数达到135，是纯交联基体（~10）的13倍多，而介电损耗为0.34，仅仅是基体的2.6倍。此外，接枝复合薄膜的弹性模量并没有随着CuPc含量的增加而提高很多，只由交联基体的7.31MPa提高到含量为8 wt%复合薄膜的9.24MPa。
　　（2）利用六亚甲基二异氰酸酯（HDI）将HyPR-PCL进行交联并同时添加石墨烯填料，而且为了改善石墨烯在基体中的分散性添加了聚乙烯吡咯烷酮（PVP），从而制备出复合材料(HyPR-PCL)/PVP-GR。FT-IR证明了交联反应的成功，SEM分析表明经PVP改性之后，石墨烯在交联基体中的分散性优于未改性的。DSC和TGA分析也表明石墨烯填料的添加提高了交联基体的热稳定性。
　　由电导率变化曲线拟合出PVP改性石墨烯复合薄膜的逾渗阈值为2.46 vol.%，而未改性的复合薄膜为2.20 vol.%。并且在石墨烯含量达到逾渗阈值之前两种复合材料的介电常数均有很大的提高而损耗却提高较少。对于 PVP改性复合薄膜，在100Hz时，介电常数由基体的11.6提高到石墨烯含量为2.35 vol.%时的289.8；损耗仅由0.19增加到0.46。未改性的复合薄膜，介电常数在石墨烯含量为2.02 vol.%时也达到了198.2，而损耗则高达1.36。此外，两种复合材料的弹性模量均很小，但改性之后复合材料的弹性模量略高于未改性的复合薄膜。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 电活性高分子

1.2 聚合物基高介电常数复合材料的研究进展

1.3 聚轮烷

1.4 本课题的研究目的与内容

第二章 聚轮烷衍生物及交联弹性体的合成与表征

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 接枝酞菁铜聚轮烷交联弹性体复合薄膜的微结构与性能分析

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 接枝酞菁铜交联薄膜的微结构

3.4 接枝酞菁铜交联薄膜的热性能

3.5 接枝酞菁铜交联薄膜的力学性能及电性能

3.6 本章小结

第四章 聚轮烷交联弹性体/石墨烯复合薄膜的微结构与性能分析

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 石墨烯共混交联复合薄膜的微结构

4.4 石墨烯共混交联复合薄膜的热性能

4.5 石墨烯共混复合薄膜的力学性能及电性能

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

在学期间主要参加的科研项目