本發明涉及高分子材料領域，尤其涉及一種電致伸縮性復合材料及其制備方法和應用。
背景技術：
電致伸縮復合材料是在電場的作用下能產生伸縮運動，從而實現電能-機械能轉換的一種材料。電致伸縮復合材料由于其電能-機械能轉換中類似肌肉的運動形式又被稱為人工肌肉材料。現有技術中的基于電致伸縮復合材料的電能-機械能轉化的材料和器件中，所述的電致伸縮復合材料主要是以單組分的材料形成，其驅動電壓較高、輸出應力較小，使得其性能與肌肉相比還有較大的差距。
CN 101604727A公開了一種電致伸縮復合材料，其包括：一柔性高分子基底，分散在所述柔性高分子基底中的多個談納米管。其中，所述電致伸縮復合材料還進一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多個陶瓷顆粒。該發明制備得到的材料的電致伸縮率僅為1-8％。
在本領域中，期望得到一種電致伸縮率更大的復合材料。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種電致伸縮性復合材料及其制備方法和應用。
為達此目的，本發明采用以下技術方案：
一方面，本發明提供了一種電致伸縮性復合材料，所述電致伸縮性復合材料主要由以下重量份的原料制備得到：
在本發明所述的電致伸縮性復合材料的原料中，所述TPU顆粒的用量為30-45重量份，例如32重量份、34重量份、36重量份、38重量份、40重量份、42重量份或44重量份。
優選地，所述TPU顆粒為聚酯型TPU顆粒和/或聚醚型TPU顆粒。
在本發明所述的電致伸縮性復合材料的原料中，所述碳納米管的用量為10-20重量份，例如11重量份、12重量份、13重量份、14重量份、15重量份、16重量份、17重量份、18重量份或19重量份。
優選地，所述碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管中的任意一種或至少兩種的組合。
在本發明所述的電致伸縮性復合材料的原料中，所述納米鈦酸鋇的用量為15-20重量份，例如16重量份、17重量份、18重量份、19重量份或20重量份。
在本發明所述的電致伸縮性復合材料的原料中，所述導電炭黑的用量為10-20重量份，例如11重量份、12重量份、13重量份、14重量份、15重量份、16重量份、17重量份、18重量份或19重量份。
在本發明所述的電致伸縮性復合材料的原料中，所述導電炭黑的用量為3-8重量份，例如3重量份、3.5重量份、4重量份、4.5重量份、5重量份、5.5重量份、6重量份、6.5重量份、7重量份、7.5重量份或8重量份。
另一方面，本發明提供了如本發明第一方面所述的電致伸縮性復合材料的制備方法，所述方法為將各原料成分預先干燥，混合均勻，擠出得到所述電致伸縮性復合材料。
在本發明所述電致伸縮性復合材料的制備方法中，所述干燥溫度為50-60℃，例如50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃，干燥時間為1-2h。
在本發明所述電致伸縮性復合材料的制備方法中，所述擠出利用流延機擠出。
優選地，所述流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為130-140℃；濾網溫度為140-150℃；彎頭溫度為150-160℃；連接溫度為135-150℃；模頭溫度為150-165℃。
作為本發明的優選技術方案，本發明所述電致伸縮性復合材料的制備方法包括以下步驟：
將各原料成分預先在50-60℃下干燥1-2h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為130-140℃；濾網溫度為140-150℃；彎頭溫度為150-160℃；連接溫度為135-150℃；模頭溫度為150-165℃，得到所述電致伸縮性復合材料。
另一方面，本發明提供了如本發明第一方面所述的電致伸縮性復合材料在功能性材料領域的應用。例如，本發明的電致伸縮性復合材料可用于人造肌肉、電敏感材料、傳感器等領域。
相對于現有技術，本發明具有以下有益效果：
本發明利用30-45重量份TPU顆粒、10-20重量份碳納米管、15-20重量份納米鈦酸鋇、10-20重量份導電炭黑和3-8重量份玻璃纖維制備得到電致伸縮復合材料，各組分之間相互配合，協同作用，使得其電致伸縮率可高達20-25％，可應用于功能性材料領域，具有很好的應用前景。
具體實施方式
下面通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
實施例1
在本實施例中，電致伸縮性復合材料主要由以下重量份的原料制備得到：
制備方法包括以下步驟：
將各原料成分預先在50℃下干燥2h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為140℃；濾網溫度為150℃；彎頭溫度為160℃；連接溫度為135℃；模頭溫度為150℃，得到所述電致伸縮性復合材料。
實施例2
在本實施例中，電致伸縮性復合材料主要由以下重量份的原料制備得到：
制備方法包括以下步驟：
將各原料成分預先在60℃下干燥1.5h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為140℃；濾網溫度為140℃；彎頭溫度為150℃；連接溫度為150℃；模頭溫度為165℃，得到所述電致伸縮性復合材料。
實施例3
在本實施例中，電致伸縮性復合材料主要由以下重量份的原料制備得到：
制備方法包括以下步驟：
將各原料成分預先在55℃下干燥1h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為135℃；濾網溫度為145℃；彎頭溫度為160℃；連接溫度為135℃；模頭溫度為150℃，得到所述電致伸縮性復合材料。
實施例4
在本實施例中，電致伸縮性復合材料主要由以下重量份的原料制備得到：
制備方法包括以下步驟：
將各原料成分預先在60℃下干燥1h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為140℃；濾網溫度為145℃；彎頭溫度為155℃；連接溫度為150℃；模頭溫度為165℃，得到所述電致伸縮性復合材料。
實施例5
在本實施例中，電致伸縮性復合材料主要由以下重量份的原料制備得到：
制備方法包括以下步驟：
將各原料成分預先在50℃下干燥2h，混合均勻，經流延機擠出，流延機的各段溫度設置如下：料筒溫度為130℃；濾網溫度為150℃；彎頭溫度為155℃；連接溫度為150℃；模頭溫度為155℃，得到所述電致伸縮性復合材料。
對比例1
本對比例與實施例1不同之處在于用硅橡膠彈性體代替TPU顆粒，其余原料與原料用量以及制備方法和條件均與實施例1相同。
對比例2
本對比例與實施例1不同之處在于用氧化鋁代替納米鈦酸鋇，其余原料與原料用量以及制備方法和條件均與實施例1相同。
對比例3
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括碳納米管和納米鈦酸鋇，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例4
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括碳納米管，納米鈦酸鋇的用量為30重量份，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例5
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括納米鈦酸鋇，碳納米管的用量為30重量份，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例6
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括導電炭黑，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例7
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括導電炭黑，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例8
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括導電炭黑，碳納米管的用量為33重量份，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例9
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括導電炭黑，納米鈦酸鋇的用量為33重量份，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對比例10
本對比例與實施例1不同之處在于，電致伸縮性復合材料的原料中不包括玻璃纖維，其余原料和原料用量以及制備方法均與實施例1相同。
對實施例1-5以及對比例1-10制備得到的電致伸縮復合材料施加40伏特的電壓，測定材料的電致伸縮率，結果如表1所示。
表1
由表1可以看出，本發明實施例1-5制備的電致伸縮材料的電致伸縮率為20-25％，而當用硅橡膠彈性體代替TPU顆粒(對比例1)或用另一種陶瓷顆粒氧化鋁代替納米鈦酸鋇(對比例2)時，制備得到的電致伸縮材料的電致伸縮率僅為5-6％，顯著低于本發明制備得到的電致伸縮復合材料的電致伸縮率。由實施例1與對比例3-10的對比可以看出，在本發明中碳納米管和納米鈦酸鋇對于提高材料的電致伸縮性能具有協同作用，并且玻璃纖維的加入對于進一步提高材料的電致伸縮性能也發揮著一定作用，因此，本發明中各原料組分之間相互協調，相互配合使得材料電致伸縮率獲得了顯著提高，本發明的電致伸縮復合材料可以用于功能性材料領域，具有廣泛的應用前景。
申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的電致伸縮性復合材料及其制備方法和應用，但本發明并不局限于上述實施例，即不意味著本發明必須依賴上述實施例才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。