基于聚氨酯的介電彈性體復合材料

蔣中立，周建佳，羅 婷，王恒印，孫 莎

專利審查協作江蘇中心

基于聚氨酯的介電彈性體復合材料

蔣中立1，周建佳1，羅 婷1，王恒印2，孫 莎2

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本文采用化學方法對具有高介電常數的有機填料酞菁銅齊聚物（CuPc）進行化學改性，將其接枝到以異氰酸酯基（-NCO）為端基的聚氨酯（PU）分子鏈上，使得CuPc在PU基體中的分散性大大提高，從而激發顯著的界面耦合效應，使介電性能得到顯著提高。

介電常數；酞菁銅齊聚物；聚氨酯；化學改性

1 研究目的及內容

介電彈性體屬于電活性高分子材料中的一類，是重要的高附加值功能材料，可用于制造高性能儲能器件、傳感器、人工肌肉等，在軍事與空間技術、信息技術、人造器官等方面具有極其重要的用途。在材料科學與工程領域，為了克服或者補償由單一組分構成的材料本身所存在的缺陷（如介電性能差等），而選擇將多種材料混合，制備具有特定改良性能的復合材料，是常規的改性方法。對于純聚合物而言，其介電常數普遍較低，介電性能較差，因此基于上述常規改性方法，目前提高聚合物材料介電常數的方法主要為在聚合物基體中加入具有高介電常數的材料作為填料，從而使復合材料的介電性能得到顯著提高，通常其介電常數可以提高到聚合物基體的數十倍[1-3]。

本文采用化學方法對具有高介電常數的有機填料酞菁銅齊聚物（CuPc）進行化學改性，將其接枝到以異氰酸酯基（-NCO）為端基的聚氨酯（PU）分子鏈上，使得CuPc在PU基體中的分散性大大提高，從而激發顯著的界面耦合效應，使介電性能得到顯著提高。

2 聚氨酯-酞菁銅復合薄膜的制備

2.1 主要原料

N，N-二甲基甲酰胺（DMF）；聚醚N220（數均分子量2000）；4，4-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）；1，4-丁二醇（BD）；5）預先合成好的酞菁銅齊聚物（CuPc）。

2.2 制備步驟

1）將0.5-2g質量的聚醚N220以及1-3mL體積的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）混合加入反應容器；

2）除去反應容器內的空氣，加熱至45-50℃，加入0.3-0.5g質量的4，4-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），進一步升溫至75-80℃，反應3-4h；

3）加入0.1-0.2g質量的1，4-丁二醇（BD），加熱反應1-2h；

4）將預先合成好的酞菁銅齊聚物（CuPc）均勻、緩慢地加入到前述反應溶液中，反應6-8h；

5）超聲、干燥，待溶劑完全去除后即得反應產物。

3 結果與討論

圖（a）中，對比純聚氨酯材料與聚氨酯-酞菁銅復合材料的紅外圖譜，可以發現聚氨酯-酞菁銅復合材料的紅外圖譜在位于1630 cm-1附近多了一個明顯的吸收峰，這是因為：制備聚氨酯-酞菁銅復合材料時，在合成聚氨酯的過程中所加入的4，4-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）（0.3-0.5g質量）相較于其他合成材料（0.5-2g質量的聚醚N220、1-3mL體積的N，N-二甲基甲酰胺（DMF））過量，從而使合成的聚氨酯以異氰酸酯基（-NCO）封端，眾所周知，異氰酸酯基（-NCO）化學性質活潑，其能與含活潑氫的化合物例如酞菁銅齊聚物（CuPc）中的羧基（-COOH）反應，反應生成的酰胺基（-NHCO）的伸縮振動即為上述吸收峰所體現，這也證明了合成反應的成功。

圖（b）中，對比純聚氨酯材料與聚氨酯-酞菁銅復合材料的介電常數變化，可以發現：1）純聚氨酯材料的介電常數很低，其介電性能較差；2）反應合成的聚氨酯-酞菁銅復合材料相較于純聚氨酯材料，介電常數增幅明顯（室溫、電場頻率100Hz條件下介電常數超過200），這主要得益于界面交換耦合效應作用的顯著增強；3）聚氨酯-酞菁銅復合材料的介電常數隨電場頻率的升高逐漸降低，其介電損耗隨著電場頻率的升高，逐步增至峰值后，再逐漸降低。

4 總結

本文基于游移極化機理，以具有高介電常數的有機固體酞菁銅齊聚物（CuPc）作為介電彈性體的添加物，以聚氨酯為基體，進行了化學改性，制備了聚氨酯-酞菁銅復合薄膜，并對反應產物的介電性能進行了表征與測試。反應合成的聚氨酯-酞菁銅復合材料相較于純聚氨酯材料，介電常數增幅明顯（室溫、電場頻率100Hz條件下介電常數超過200），這主要得益于界面交換耦合效應作用的顯著增強。

[1]Huang C,et al.Electromechanical response in liquid crystal gels and networks[A].In:Bar-Cohen Y ed.Proceedings of SPIE's 10th Annual International Symposium on Smart Structures and Materi?als[C].USA:SPIE,2003:496～503.

[2]Xia F,et al.Poly(vinylidene-fluoride-trifluoethyiene)based high-performance electroactive polymers[A].In:Bar-Cohen Y ed.Pro?ceedings of SPIE's 10th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials[C].USA:SPIE,2003:133～142.

[3]Zhang S H,et al.High performance electroactive polymers and nano-composites for artificial muscles[J].Journal of Intelligent Materi?al Systems and Structures,2007,18(2):133～145.