聚氨酯基高介电常数复合材料的制备与表征.pdf

第4期聚氨酯基高介电常数复合材料的制备与表征5

聚氨酯基高介电常数复合材料的制备与表征

吴聪聪王经文陈涛魏楠李淑琴
(南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京，211100)

摘要
采用聚氨酯弹性体(PU)为聚合物基体，超高介电常数的酞菁铜齐聚物(CuPc)为添加物，通过
化学方法将CuPc接到PU链上，制备高介电常数复合材料。TEM结果显示，CuPc在PU中的分
散性大大改善，颗粒尺寸约为20nm，约为CuPc和PU简单共混中CuPc粒径的1／25。颗粒尺寸的
减小大大增强了复合体系中界面交换耦合效应，极大增加了复合材料的介电常数。在lOOHz时，
CuPc含量为15wt的复合材料，介电常数高达380左右。
关键词：聚氨酯弹性体酞菁铜齐聚物纳米复合材料高介电常数

电活性高分子(EAP)是一种新型的智能高分高介电常数的聚合物基复合材料上。目前提高聚合
子材料，具有机电转换功能[1]。这类聚合物能够在物基复合材料的介电常数比较常用的方法是直接在
外电场诱导下，通过材料内部构造改变产生多种形聚合物基体中加入具有高介电常数的有机半导体填
式的力学响应的材料[23。具有高介电常数的EAP料。在有机半导体填料中，酞菁铜齐聚物(CuPc)具
材料在执行器、传感器、高储能电容器及人工肌肉等有超高的介电常数(K>10)[”]。WangJ．w等[H]
领域具有广泛应用[3]。但是，传统的高分子材料为提高P(ⅧF_TrFE)与铜酞菁齐聚物(o-CuPc)复
通常具有很低的介电常数(<lO)。因此通常需要较合物的相容性，对聚合物进行化学修饰，赋予其活
高的激励电场才能产生高的弹性能量密度，这极大泼苄氯基团，进而与o-CuPc发生酯化反应，将其
地限制了其应用[7]。假定电活性高分子材料是一种部分接枝到聚合物链上。得到的复合材料中的
线弹性介电材料，则其弹性能密度U等于YS。／2，CuPc的分散性大大提高，粒径在60--~120nm之间，
电能密度等于￡KE。／2，式中Y是杨氏模量，S是应材料的介电常数达到175，是基体介电常数的4．5
变，￡是真空介电常数(8．854×10F／M)，K是介电倍。但CuPc与基体的相容性差，容易在聚合物基
常数，E是施加的电场强度。材料功能类似于执行体中形成较大的颗粒，形成导电通道，从而降低材料
器，即将输入的电能转变为机械能，根据能量守恒定的击穿电场，介电损耗增加。因此，提高CuPc在聚
律输出的机械能是不可能大于输入的电能的，因此，合物中的分散性是提升材料介电性能的关键。
为获取高弹性能密度，就要提高输人材料的电能，从为了进一步提高CuPc在聚合物基体中的相容
而获得高的sKEz／2，这意味着或者材料介电常数性，减小CuPc在基体中的粒径，从而大大提高复合
大，或者对其施加高电场强度[引。因此，为了在保持材料的界面交换耦合效应，提高复合材料的介电性
高弹性能量密度的基础上，有效地降低激励电场的能。本研究通过化学方法，在PU预聚阶段加入
强度，制备具有高介电常数的高分子复合材料成为CuPc，使其与异氰酸酯基反应，将CuPc接枝到PU
近年来EAP材料领域的研究热点[9-12]。分子链上，制备PU-g-CuPc纳米复合材料。与简单
因为纯的聚合物的介电常数普遍较低，而且提的PU与CuPc共混物(CuPc／PU)相比，纳米接枝
高的潜力有限，于是人们将注意力转移到制备具有复合材料中CuPc的颗粒尺寸大大减小，分散性显

基金项目：江苏省自然科学基金(BK2009308)

万方数据
6四川化工第14卷2011年第4期

著提高，介电性能也显著增加。膜(厚度50~100nm)。

1．3性能表征
采用BrukerVector一22型红外光谱仪测定PU

HOOC和PU-g-CuPc的红外谱图，观测材料官能团的变化
HOOC
情况。
采用Bruker公司DRX-500型核磁共振波谱仪
获得H—NMR谱，溶剂为DMSde。通过核磁共
HO0C振考察H在PU和PU—g-CuPc中的存在情况，确
H0OC
定官能团上H的变化情况。
采用H一7650型透射电镜对纳米复合材料切片

HOOCCOOHHOOCCOOH进行观察，观察添加物在PU基体中的分布情况及
其颗粒尺寸大小。
图1CuPc的化学结构式
采用阻抗分析仪4294A对PU，PU／CuPc和
PU-g-CuPc复合薄膜的介电性能进行测试。外加
1实验电场频率范围在100Hz一100MHz之间。薄膜的介
电常数K通过公式K—Ct／eoA进行计算，式中C
1．1实验原料
为薄膜电容，e。为真空介电常数数值为8．85x10
CuPc按文献L15]方法合成。聚醚1618A：数均
F／m。A为薄膜两侧蒸镀金电极的面积尺寸，t为
分子量M为5000，购于南京奥斯化工有限公司