介电填料的表面改性及其对介电弹性体复合材料的性能研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shaodongjia1668
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介电弹性体是一种具有大形变、快响应、轻质量、高转换效率及高能量密度的电活性聚合物,可应用于微型驱动器和发电机上,在智能机器人、电子器件、人工肌肉、航空航天以及波浪发电机等领域已具有一定的应用。但是介电弹性体材料的介电常数普遍较低,导致所需的驱动电压较高,从而限制了其进一步应用。本论文工作主要集中在提高介电弹性体材料的介电常数上,以提高介电弹性体驱动器的电致形变性能和介电弹性体发电机的发电性能。  在论文第三章中,采用γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)来改性钛酸钡(BT)粒子以提高BT与溴化丁基橡胶(BIIR)之间的相容性。随后,将BT和BT-KH570粒子分别添加到BIIR基体中制备成BT/BIIR和BT-KH570/BIIR介电弹性体复合材料。结果表明,BT-KH570/BIIR复合材料具有更高的介电常数、更好的力学性能和更良好的电致形变性能。其中,含有10phr BT-KH570粒子的BIIR复合材料具有最大的电致形变。为了进一步提高BT-KH570/BIIR复合材料的电致形变性能,将磷酸三丁酯(TBP)添加到上述介电弹性体复合材料中形成TBP/BT-KH570/BIIR复合材料。由于TBP中含有极性基团使得TBP/BT-KH570/BIIR复合材料的介电常数提高,弹性模量下降。最终结果表明,在电场强度为22.5kV/mm时,TBP/BT-KH570/BIIR复合材料的电致形变为4.46%,是相同条件下纯BIIR的5倍。  在论文第四章中,制备了新型的钛酸钡@聚多巴胺@氧化石墨烯(从里到外记做BT@PDA@GO)多层核壳介电粒子。将BT@PDA@GO多层核壳介电粒子填充至丁腈橡胶(NBR)中制备介电弹性体复合材料。结果表明,在频率为1kHz时,BT@PDA@GO/NBR复合材料的介电常数为15,是相同条件下纯NBR的1.7倍,而复合材料的介电损耗仅为0.02。此外,BT@PDA@GO/NBR复合材料在外加电场为35kV/mm时,其电致形变高达8.6%,是纯NBR材料(4.2%)的2倍左右。  在论文第五章中,将经PDA修饰的石墨烯纳米片层(GNS)(记做GNS-PDA)通过乳液法添加到羧基丁腈橡胶(XNBR)中制备介电弹性体复合材料。由于XNBR中的羧基基团(-COOH)与PDA中的酚羟基能形成氢键,导致GNS-PDA片层环绕在XNBR乳胶粒子周围形成了被隔离的填料网络结构。研究结果表明,添加了GNS-PDA的XNBR复合材料相对于GNS/XNBR复合材料,具有更好的分散性、更高的介电常数、击穿强度和体积电阻率。最终,GNS-PDA/XNBR复合材料在18kV/mm的外加电场条件下达到4.4%的电致形变,显著大于纯XNBR在外加电场23kV/mm的电致形变(2.8%)。  在论文第六章中,由于天然橡胶(NR)具有好的电绝缘性、气密性、加工性而被选取作为可用于介电弹性体发电机的基体材料。将不同份数的BT和邻苯二甲酸二辛酯(DOP)极性增塑剂添加到NR中来制备介电弹性体复合材料。由于DOP含有极性基团,使得DOP/BT/NR复合材料的介电常数提高的同时弹性模量降低。最终结果表明,添加了10phr BT和50phr DOP的DOP/BT/NR复合材料最大转换效率达到3.9%,是相同条件下纯NR的3.25倍,拓宽了介电弹性体材料在发电领域的应用。  在论文第七章中,将经过PDA表面修饰的氧化铝粒子(Al2O3-PDA)添加到NBR基体中以提高其介电性能、力学性能和导热性能。由于PDA的强粘附性和它本身含有的邻苯二酚基团与NBR上的丙烯腈基团形成的氢键作用,使得Al2O3-PDA粒子更好地分散在NBR基体中,同时使得Al2O3粒子与NBR基体间的相互作用力提高。相比较于Al2O3/NBR复合材料,Al2O3-PDA/NBR复合材料表现出更高的介电常数、更优异的力学性能和导热性能。最终结果表明,含有30phr Al2O3-PDA粒子的Al2O3-PDA/NBR复合材料的导热率为0.21W/m·K,是相同条件下纯NBR的1.2倍。此外,30phr Al2O3-PDA粒子的Al2O3-PDA/NBR复合材料表现出2.61MPa的拉伸强度,是纯NBR的2.55倍。
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