嵌段聚合物作為介電彈性體的應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及介電彈性體的領域，具體設及一種嵌段聚合物作為介電彈性體的應 用。
【背景技術】
[0002] 介電彈性體值ielectricElastomer,呢）是一類能夠在外加電場作用下產(chǎn)生巨大 形變的聚合物材料，具有能量密度高、響應速度快、能量轉化效率高、工作噪音低等諸多優(yōu) 點，被廣泛應用在人造肌肉、微型機器人、能量收集器、傳感器、微流體控制、盲文顯示裝置 等多個方面，在仿生機器人、綠色能源、醫(yī)學、航空航天等多個領域具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003] 介電彈性體的工作原理是利用絕緣彈性體在電場中受到沿厚度方向的麥克斯韋 力而發(fā)生形變，從而將電能轉化為機械能。介電彈性體驅動器是在介電彈性體薄膜的兩側 分別覆蓋一層柔性電極，在外在電場的作用下使介電彈性體薄膜厚度減小，面積增大，形變 的大小和速度直接影響著介電彈性體的工作性能。
[0004] 在W往的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的介電彈性體（3M公司的V皿系列產(chǎn)品、娃橡膠 等），在一些性能指標上與實際應用存在一定差距。V皿系列產(chǎn)品是人類發(fā)現(xiàn)的第一種能 夠實現(xiàn)大變形（>100%)的介電彈性體，然而其形變能力隨著工作頻率的增加急劇下降 (巧％，50化），娃橡膠類材料的工作頻率較高，但是其介電常數(shù)和彈性模量都很低，工作輸 出的功率密度比較低。運些性能的提升都受到材料本身結構上的限制：WV皿為代表的介 電聚合物材料，模量較低，但是粘彈性普遍較大，工作過程中能量損失較大，也很難滿足高 頻率工作狀態(tài)和高功率密度輸出的要求。
[0005] 文南犬ElectroactiveNanostructuredPolymersasTunableActuators和 TriblockCopolymerOrganogelsasHigh-PerformanceDielectricElastomers中提 出了采用沈BS(poly[styrene-b-(ethylene-c0-but}dene)-b-styrene])S嵌段聚合物， 利用Sonneborn公司生產(chǎn)的MO(mineraloil，estimatedtobeaboutTO%paraffinic and30%naphthenic)選擇性溶脹中間邸段，同時需要雙軸預拉伸300%，來達到面積形 變>200 %，但需要較高電壓20V/um，且能量密度低，擊穿場強低，楊氏模量低。通過改變MO 和沈BS的組成，實現(xiàn)沈BS有機凝膠的電驅動性能可調。文獻Prestrain-FreeDielectric ElastomersBasedonAcrylicThermoplasticElastomerGels:AMorphological and(Electro)MechanicalPropertySl:udy中提出 了采用MBM(PMMA-PBA-PMMA)S嵌段聚合 物，利用FisherScientifi公司生產(chǎn)的DOP(dioct}d地地曰1曰*6,98%purity)選擇性溶脹 中間段BA,在不需要預拉伸的情況下，電場強度20KV/mm，得到面積形變>100 %，能量密度 達到50kJ/m3,機電禪合效率達到80 %，遠超人體肌肉的指標。（人體肌肉最大面積形變可 MO%，能量密度達到40kJ/m3,禪合效率最大可達40 %。）
[0006] 上述兩種=嵌段聚合物介電彈性體都需要添加有機溶劑而形成凝膠后使用，不易 進行加工，運一點很大程度制約了介電彈性體的應用，存在著環(huán)境污染，使用壽命短，運輸 成本大，儲存成本高等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種嵌段共聚物，無需溶劑溶脹，即可在高頻驅動下具有較大形變， 且功率密度較高，可W用作介電彈性體材料。
[0008] 一種嵌段聚合物作為介電彈性體的應用，所述嵌段聚合物的結構通式為B-C-D;
[0009] 其中，B和D獨立地選自苯乙締均聚物或甲基丙締酸甲醋均聚物；C選自丙締酸下 醋均聚物、丙締酸正下醋均聚物、甲基丙締酸正下醋均聚物、甲基丙締酸異下醋均聚物、丙 締酸叔下醋均聚物、丙締酸-2-乙基已醋均聚物、丙締酸異辛醋均聚物、丙締酸乙醋均聚物 或丙締酸下醋、丙締酸正下醋、甲基丙締酸正下醋、甲基丙締酸異下醋、丙締酸叔下醋、丙締 酸-2-乙基已醋、丙締酸異辛醋、丙締酸乙醋中至少兩種的共聚物。
[0010] 作為優(yōu)選，所述嵌段聚合物的總分子量為7~33萬，B鏈段的數(shù)均分子量為1~3 萬；C鏈段的分子量為5~27萬；D鏈段的分子量為1~3萬。
[0011] 作為優(yōu)選，所述嵌段聚合物中，C鏈段的重量百分比>70%。
[0012] 進一步優(yōu)選，所述的B為苯乙締均聚物，C選自丙締酸下醋均聚物、丙締酸正下醋 均聚物、甲基丙締酸正下醋均聚物、甲基丙締酸異下醋均聚物、丙締酸叔下醋均聚物、丙締 酸-2-乙基已醋均聚物、丙締酸異辛醋均聚物或丙締酸乙醋均聚物，D選自苯乙締均聚物或 甲基丙締酸甲醋均聚物。
[0013] 上述嵌段聚合物的制備方法可W參考公開號為CN101955555A的中國專利文獻 中的制備方法。
[0014] 將該嵌段共聚物與四氨巧喃混合，配置成5~10%的溶液，20~80°C下經(jīng)揮發(fā)成 膜后，再經(jīng)120°C的退火處理，得到新型介電彈性體薄膜。
[0015] 觀察薄膜表面形態(tài)，使用厚度儀對薄膜厚度進行測量，W沒有氣泡，厚度均一，表 面光滑為標準，得到符合要求的新型介電彈性體薄膜。
[0016] 作為優(yōu)選，W所述的嵌段聚合物為原料制備介電彈性體薄膜，在介電彈性體薄膜 兩側分別涂覆導電碳膏作為電極，經(jīng)后處理得到介電驅動器。
[0017] 具體過程為：
[0018] 圓形驅動器制作方法為等雙軸300%X300%預拉伸，固定在圓環(huán)框架上，具體實 施方法為：利用激光切割機切出待拉伸薄膜，置于雙軸拉伸機上，用夾具固定好后，將薄膜 拉伸至原來的300%X300%。
[0019] W厚Imm的ABS板為原料，使用激光切割機切出圓環(huán)框架，框架內(nèi)徑為60mm，外徑 為80mm，在預拉伸好的薄膜上下兩面各覆蓋一層圓環(huán)框架，并使上下兩個框架完全對齊，適 當用力充分壓緊薄膜后用剪刀將制好的圓環(huán)框架薄膜取下。
[0020] W表面光滑的油性紙為原料，在激光切割機上切出涂覆電極的掩膜，掩膜結構具 體為：內(nèi)徑15mm，外徑60mm，導線部位寬1. 5mm，將兩張掩膜分別覆蓋于制好的圓環(huán)框架薄 膜的兩個表面，使內(nèi)圓對齊，導線之間夾角為180°，取石墨碳膏，用滾輪分別在兩面的掩膜 上均勻涂上一層石墨電極。
[0021] 將制好的圓環(huán)驅動器接在TREK?610E電壓放大器上，使用函數(shù)發(fā)生器輸出不同頻 率和電壓值，對驅動器進行驅動，采取Kenyene高速攝像機進行錄像，采用化otoshop軟件 對不同參數(shù)下的電致形變進行分析，得出新型介電彈性體的力電驅動曲線和不同頻率下 驅動形變的響應。
[0022] 本發(fā)明公開了一種介電驅動器，包括上電極、介電彈性體薄膜和下電極，所述的介 電彈性體薄膜由上述的嵌段聚合物制備得到。
[0023] 作為優(yōu)選，所述的嵌段聚合物為聚（苯乙締-b-丙締酸正下醋-b-苯乙締）S嵌 段共聚物、聚（苯乙締-b-丙締酸乙醋-b-苯乙締嵌段共聚物、聚（苯乙締-b-丙締酸 異辛醋-b-苯乙締）S嵌段共聚物或聚（苯乙締-b-丙締酸正下醋-b-甲基丙締酸甲醋） =嵌段共聚物。
[0024] 進一步優(yōu)選，所述嵌段聚合物的總分子量為12~30萬，B鏈段的數(shù)均分子量為 1. 5~3萬；C鏈段的分子量為9~24萬；D鏈段的分子量為1. 5~3萬。
[00巧]再優(yōu)選，所述嵌段聚合物中，C鏈段的重量百分比>70% ;更優(yōu)選為80~85%。 [00%] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0027] 本發(fā)明的嵌段型聚合物，可在不使用有機溶劑進行溶脹的情況下產(chǎn)生較大電致形 變，清潔環(huán)保；
[0028] 本發(fā)明的嵌段聚合物，電致形變性能優(yōu)異，響應快，噪音小，功率密度高，工作頻率 范圍寬，工作溫度范圍廣