单宁酸表面修饰法制备介电及导热弹性体复合材料

来源 :北京石油化工学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hbuxiaoming
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介电弹性体(DEs)作为电活性聚合物中的一种,因其可将电能转换为机械能的特点引起了人们极大的兴趣。由DE膜和DE膜两侧的柔性电极组成的介电弹性体驱动器(DEAs)由于可以模仿自然肌肉扩张、旋转和收缩,被形象地称为“人造肌肉”。基于其优异的机电性能,DEAs在传感器、人工肌肉、触觉显示和微型机器人等领域有着广泛的应用。然而,DEA所需的驱动电压较高,导致其在实际应用中受到限制。因此,如何在低电场下产生DE材料的高致动应变是DEAs面临的最大挑战之一。除此之外,DE材料在运行过程中的能量损失和热量积累会影响其工作效率和使用寿命,因此提高DE复合材料的导热系数(λ)也是至关重要的。本文主要通过一种天然植物多酚——单宁酸(TA)修饰功能填料并填充至弹性体基体中制备高性能介电和导热弹性体复合材料。在本文第三章中,将单宁酸-铁离子(TA-Fe3+)和银(Ag)纳米颗粒修饰的二氧化钛(Ti O2)纳米颗粒填充至天然橡胶(NR)基体中,制备了Ti O2@TA-Fe3+@Ag/NR DE复合材料。由于TA-Fe3+和沉积的Ag纳米颗粒增强了Ti O2和NR基体之间的界面极化作用。同时,分散的导电Ag纳米颗粒在NR复合材料中形成许多微电容器,使得Ti O2@TA-Fe3+@Ag/NR复合材料的介电常数获得提高。当填充30 wt%填料时,Ti O2@TA-Fe3+@Ag/NR复合材料的介电常数于10~2 Hz时为3.7,而纯NR在相同频率下仅为3.0。除此之外,30 wt%Ti O2@TA-Fe3+@Ag/NR复合材料在22.78 k V/mm的低电场下表现出9.09%的高电致形变。在本文第四章中,通过TA对氮化硼(BN)进行非共价改性,并填充至羧基丁腈橡胶(XNBR)基体中制备导热弹性体复合材料(BN-TA-XNBR),以提高其λ。由于TA对BN片的非共价修饰,BN片的表面结构不会被损坏,因此确保了BN的固有高导热性。此外,TA增强了BN片与XNBR基体之间的界面相容性,BN片的良好分散使其在复合材料中构成了良好的导热路径。当填充30 vol%BN-TA时,XNBR复合材料的λ最大,为0.42 W/m K,是纯XNBR(0.16 W/m K)的260%。此外,BN-TA-XNBR复合材料还表现出良好的介电性能。在本文第五章中,将TA-Fe3+和Ag纳米颗粒修饰的导热陶瓷填料Al2O3纳米颗粒(Al2O3/TA-Fe3+/Ag)填充至丁腈橡胶中(NBR),制备高导热性能的弹性体复合材料(Al2O3/TA-Fe3+/Ag/NBR)。TA-Fe3+涂层提高了Al2O3纳米颗粒与NBR基体的界面相容性,减少了声子散射,金属Ag纳米颗粒增强了复合材料的导热性能,随着Al2O3/TA-Fe3+/Ag纳米颗粒的增加,导热网络形成。结果表明,添加50 vol%Al2O3/TA-Fe3+/Ag纳米颗粒的NBR复合材料达到最大的λ(0.90W/m K),是纯NBR(0.15 W/m K)的600%。此外,Al2O3/TA-Fe3+/Ag/NBR复合材料还表现出良好的绝缘性能。综上所述,TA表面修饰法作为一种绿色环保、成本低、简单有效的填料表面改性方法,有效提高了复合材料的介电和导热性能,同时也为设计功能填料制备高性能弹性体复合材料提供了新的方案。
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