基于聚氨酯的介電彈性體復(fù)合材料

蔣中立，周建佳，羅 婷，王恒印，孫 莎

專利審查協(xié)作江蘇中心

基于聚氨酯的介電彈性體復(fù)合材料

蔣中立1，周建佳1，羅 婷1，王恒印2，孫 莎2

專利審查協(xié)作江蘇中心

本文采用化學(xué)方法對具有高介電常數(shù)的有機(jī)填料酞菁銅齊聚物（CuPc）進(jìn)行化學(xué)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(fā)顯著的界面耦合效應(yīng)，使介電性能得到顯著提高。

介電常數(shù)；酞菁銅齊聚物；聚氨酯；化學(xué)改性

1 研究目的及內(nèi)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(shù)、信息技術(shù)、人造器官等方面具有極其重要的用途。在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，為了克服或者補(bǔ)償由單一組分構(gòu)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(fù)合材料，是常規(guī)的改性方法。對于純聚合物而言，其介電常數(shù)普遍較低，介電性能較差，因此基于上述常規(guī)改性方法，目前提高聚合物材料介電常數(shù)的方法主要為在聚合物基體中加入具有高介電常數(shù)的材料作為填料，從而使復(fù)合材料的介電性能得到顯著提高，通常其介電常數(shù)可以提高到聚合物基體的數(shù)十倍[1-3]。

本文采用化學(xué)方法對具有高介電常數(shù)的有機(jī)填料酞菁銅齊聚物（CuPc）進(jìn)行化學(xué)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(fā)顯著的界面耦合效應(yīng)，使介電性能得到顯著提高。

2 聚氨酯-酞菁銅復(fù)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(shù)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(yù)先合成好的酞菁銅齊聚物（CuPc）。

2.2 制備步驟

1）將0.5-2g質(zhì)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(yīng)容器；

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

3）加入0.1-0.2g質(zhì)量的1，4-丁二醇（BD），加熱反應(yīng)1-2h；

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

5）超聲、干燥，待溶劑完全去除后即得反應(yīng)產(chǎn)物。

3 結(jié)果與討論

圖（a）中，對比純聚氨酯材料與聚氨酯-酞菁銅復(fù)合材料的紅外圖譜，可以發(fā)現(xiàn)聚氨酯-酞菁銅復(fù)合材料的紅外圖譜在位于1630 cm-1附近多了一個(gè)明顯的吸收峰，這是因?yàn)椋褐苽渚郯滨?酞菁銅復(fù)合材料時(shí)，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(zhì)量）相較于其他合成材料（0.5-2g質(zhì)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(xué)性質(zhì)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(yīng)，反應(yīng)生成的酰胺基（-NHCO）的伸縮振動(dòng)即為上述吸收峰所體現(xiàn)，這也證明了合成反應(yīng)的成功。

圖（b）中，對比純聚氨酯材料與聚氨酯-酞菁銅復(fù)合材料的介電常數(shù)變化，可以發(fā)現(xiàn)：1）純聚氨酯材料的介電常數(shù)很低，其介電性能較差；2）反應(yīng)合成的聚氨酯-酞菁銅復(fù)合材料相較于純聚氨酯材料，介電常數(shù)增幅明顯（室溫、電場頻率100Hz條件下介電常數(shù)超過200），這主要得益于界面交換耦合效應(yīng)作用的顯著增強(qiáng)；3）聚氨酯-酞菁銅復(fù)合材料的介電常數(shù)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(jié)

本文基于游移極化機(jī)理，以具有高介電常數(shù)的有機(jī)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(jìn)行了化學(xué)改性，制備了聚氨酯-酞菁銅復(fù)合薄膜，并對反應(yīng)產(chǎn)物的介電性能進(jìn)行了表征與測試。反應(yīng)合成的聚氨酯-酞菁銅復(fù)合材料相較于純聚氨酯材料，介電常數(shù)增幅明顯（室溫、電場頻率100Hz條件下介電常數(shù)超過200），這主要得益于界面交換耦合效應(yīng)作用的顯著增強(qiáng)。

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