基于聚氨酯的介电弹性体复合材料

蒋中立，周建佳，罗 婷，王恒印，孙 莎

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基于聚氨酯的介电弹性体复合材料

蒋中立1，周建佳1，罗 婷1，王恒印2，孙 莎2

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本文采用化学方法对具有高介电常数的有机填料酞菁铜齐聚物（CuPc）进行化学改性，将其接枝到以异氰酸酯基（-NCO）为端基的聚氨酯（PU）分子链上，使得CuPc在PU基体中的分散性大大提高，从而激发显著的界面耦合效应，使介电性能得到显著提高。

介电常数；酞菁铜齐聚物；聚氨酯；化学改性

1 研究目的及内容

介电弹性体属于电活性高分子材料中的一类，是重要的高附加值功能材料，可用于制造高性能储能器件、传感器、人工肌肉等，在军事与空间技术、信息技术、人造器官等方面具有极其重要的用途。在材料科学与工程领域，为了克服或者补偿由单一组分构成的材料本身所存在的缺陷（如介电性能差等），而选择将多种材料混合，制备具有特定改良性能的复合材料，是常规的改性方法。对于纯聚合物而言，其介电常数普遍较低，介电性能较差，因此基于上述常规改性方法，目前提高聚合物材料介电常数的方法主要为在聚合物基体中加入具有高介电常数的材料作为填料，从而使复合材料的介电性能得到显著提高，通常其介电常数可以提高到聚合物基体的数十倍[1-3]。

本文采用化学方法对具有高介电常数的有机填料酞菁铜齐聚物（CuPc）进行化学改性，将其接枝到以异氰酸酯基（-NCO）为端基的聚氨酯（PU）分子链上，使得CuPc在PU基体中的分散性大大提高，从而激发显著的界面耦合效应，使介电性能得到显著提高。

2 聚氨酯-酞菁铜复合薄膜的制备

2.1 主要原料

N，N-二甲基甲酰胺（DMF）；聚醚N220（数均分子量2000）；4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）；1，4-丁二醇（BD）；5）预先合成好的酞菁铜齐聚物（CuPc）。

2.2 制备步骤

1）将0.5-2g质量的聚醚N220以及1-3mL体积的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）混合加入反应容器；

2）除去反应容器内的空气，加热至45-50℃，加入0.3-0.5g质量的4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），进一步升温至75-80℃，反应3-4h；

3）加入0.1-0.2g质量的1，4-丁二醇（BD），加热反应1-2h；

4）将预先合成好的酞菁铜齐聚物（CuPc）均匀、缓慢地加入到前述反应溶液中，反应6-8h；

5）超声、干燥，待溶剂完全去除后即得反应产物。

3 结果与讨论

图（a）中，对比纯聚氨酯材料与聚氨酯-酞菁铜复合材料的红外图谱，可以发现聚氨酯-酞菁铜复合材料的红外图谱在位于1630 cm-1附近多了一个明显的吸收峰，这是因为：制备聚氨酯-酞菁铜复合材料时，在合成聚氨酯的过程中所加入的4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）（0.3-0.5g质量）相较于其他合成材料（0.5-2g质量的聚醚N220、1-3mL体积的N，N-二甲基甲酰胺（DMF））过量，从而使合成的聚氨酯以异氰酸酯基（-NCO）封端，众所周知，异氰酸酯基（-NCO）化学性质活泼，其能与含活泼氢的化合物例如酞菁铜齐聚物（CuPc）中的羧基（-COOH）反应，反应生成的酰胺基（-NHCO）的伸缩振动即为上述吸收峰所体现，这也证明了合成反应的成功。

图（b）中，对比纯聚氨酯材料与聚氨酯-酞菁铜复合材料的介电常数变化，可以发现：1）纯聚氨酯材料的介电常数很低，其介电性能较差；2）反应合成的聚氨酯-酞菁铜复合材料相较于纯聚氨酯材料，介电常数增幅明显（室温、电场频率100Hz条件下介电常数超过200），这主要得益于界面交换耦合效应作用的显著增强；3）聚氨酯-酞菁铜复合材料的介电常数随电场频率的升高逐渐降低，其介电损耗随着电场频率的升高，逐步增至峰值后，再逐渐降低。

4 总结

本文基于游移极化机理，以具有高介电常数的有机固体酞菁铜齐聚物（CuPc）作为介电弹性体的添加物，以聚氨酯为基体，进行了化学改性，制备了聚氨酯-酞菁铜复合薄膜，并对反应产物的介电性能进行了表征与测试。反应合成的聚氨酯-酞菁铜复合材料相较于纯聚氨酯材料，介电常数增幅明显（室温、电场频率100Hz条件下介电常数超过200），这主要得益于界面交换耦合效应作用的显著增强。

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