【摘 要】
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介电凝胶是一种电活性聚合物材料,可以作为软执行器材料,在软体机器人、可穿戴医疗辅助设备以及智能光学系统等领域具有广泛的应用前景。与传统介电弹性体相比,介电凝胶具有较低的驱动电压和丰富的驱动自由度。近年来,电活性增塑聚氯乙烯（PVC）凝胶受到研究人员的广泛关注。在PVC凝胶体系中,增塑剂的种类、含量、电极和纳米填料等均会对其电场响应性能产生较大的影响。然而,目前PVC凝胶的动态弯曲驱动性能仍满足不了
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介电凝胶是一种电活性聚合物材料,可以作为软执行器材料,在软体机器人、可穿戴医疗辅助设备以及智能光学系统等领域具有广泛的应用前景。与传统介电弹性体相比,介电凝胶具有较低的驱动电压和丰富的驱动自由度。近年来,电活性增塑聚氯乙烯（PVC）凝胶受到研究人员的广泛关注。在PVC凝胶体系中,增塑剂的种类、含量、电极和纳米填料等均会对其电场响应性能产生较大的影响。然而,目前PVC凝胶的动态弯曲驱动性能仍满足不了实际应用要求,引入对电场感应的有机分子可以在降低PVC模量的同时进一步提高其电场响应性。本文选用绿色有机离子-离子液体（IL）对增塑PVC的结构进行调节,研究了IL的含量和结构对PVC/已二酸二正丁酯（DBA）凝胶的化学结构、相结构和弯曲驱动等性能的影响。具体研究内容如下:（1）研究了不同含量的[ABIM]BF4对PVC/DBA凝胶的结构、力学性能和电场响应弯曲驱动性能的影响。研究表明,[ABIM]BF4与DBA形成氢键作用,影响DBA对PVC的增塑作用。随着[ABIM]BF4含量的增加,[ABIM]BF4在PVC凝胶产生了团聚现象。通过电场响应性测试发现,PVC/DBA/[ABIM]BF4凝胶在电场作用下向阳极方向弯曲,且弯曲位移随着[ABIM]BF4含量的增加,呈现先增加后减少的趋势。当[ABIM]BF4含量为3.3 phr时,PVC/DBA/IL凝胶的弯曲位移达到最大值。（2）探究了阳离子烷基链长度对PVC/DBA凝胶的化学结构、相结构、电刺激行为以及压电传感性能的影响。研究显示,烷基链越长,阴阳离子的相互作用越弱,在PVC凝胶中的分散性越好,电场响应性以及压力传感性越好。其中,PVC/DBA/[ABIM]BF4凝胶在电场作用下向阳极方向弯曲,且在7.2 k V下达到最大位移量9.1 mm;最大输出力0.94 Pa。在压力为2.2～2.7 k Pa时,凝胶的压力传感灵敏度由0.3增加至7.98。（3）探索了阴离子大小对PVC/DBA凝胶的化学结构、相结构、电刺激行为以及压电传感性能的影响。研究表明,阴离子上-F基团与DBA存在着相互作用,且受-F基团数量的影响,阴离子越大阴阳离子的相互作用越弱。阴离子大小与其在PVC凝胶中的分散性无关。阴离子的自由体积越大,电场响应和压力传感性能越好。其中,PVC/DBA/[AMIM]NTF2凝胶在7.2 k V电压下的最大位移量为6.58 mm;最大输出力为0.61Pa。在压力为2.2～2.7 k Pa时,凝胶的压电传感灵敏度由0.4增加至49.70。以上研究表明,离子液体与PVC/DBA凝胶的DBA的相互作用、离子液体阴阳离子的解离能力等,对PVC/DBA的电场响应弯曲性能和压力传感性能有显著的影响。这是因为PVC/DBA/IL凝胶的电场响应弯曲性能主要源于电场诱导凝胶薄膜两侧表面的电荷分布差异,这依赖于可移动的离子和增塑剂在不均匀电场下的极化作用。本论文的实验结果为PVC凝胶的改性以及驱动和传感一体化PVC凝胶基软驱动器在软体机器人、可穿戴设备和医疗机械等领域中的应用提供了新的思路。
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