近年来，由各种类型的电活性聚合物(EAPs)制成的具有电场诱导变形的软制动器受到了相当多的关注，可以制造重量轻、灵活的非磁性电机。与铁电聚合物制动器不同，介电弹性体驱动器(DEAs)是电刺激响应驱动器，在大应变和卓越的灵活性方面显示出巨大的潜力。各种各样的商业弹性体，包括硅橡胶、聚氨酯和丙烯酸弹性体等，已被广泛用于组装DEAs。然而，常用的介质弹性体存在刚度高、强度低、驱动场大等问题，严重限制了DEA的驱动性能。
清华大学党智敏教授、赵慧婵教授合作，通过合理使用双官能高分子交联剂，设计了一种优化交联网络的新型聚丙烯酸酯介电弹性体。研究内容以“Soft, tough, and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”为题发表在《Nature Communications》。
【聚丙烯酸酯介电弹性体的结构】
丙烯酸基弹性体由于其高介电常数(~4.4@1 kHz)、大面积应变能力(>380%)和高能量密度(3.4 MJ m -3)，在组成非磁性电极方面的性能优于其他弹性体。然而，商用VHB TM丙烯酸弹性体通常需要高驱动电场(E) (>80 MV m -1)，这是由于其固有的高刚度(杨氏模量在0.2~1.0 MPa左右)，响应速度慢(带宽通常低于10 Hz)和严重的粘弹性蠕变，造成的机械损失较大。科学家们一直在努力降低驱动电压E和提高丙烯酸基弹性体的响应速度。
高质量介电弹性体的设计和制备对DEAs的大规模应用仍然是一个具有挑战性的问题。在弹性体基体中加入具有短分子链的增塑剂是降低弹性体杨氏模量（Y）值的典型方法。作者报道了一种先进的聚丙烯酸酯介电弹性体，通过优化其交联网络，获得了低杨氏模量(~0.073 MPa)、高韧性(伸长率~2400%)、低机械损耗(tan δm = 0.21@1 Hz, 20 ℃)、良好的介电性能(εr = 5.75, tan δe = 0.0019 @1 kHz)。与传统的小分子交联剂不同，作者采用大分子量聚氨酯丙烯酸酯化合物与柔性聚醚二醇和脂肪族二异氰酸酯段作为交联剂，丙烯酸正丁酯(nBA)作为单体反应，最大限度地减少交联点。柔性聚醚二醇段高分子交联剂能起到润滑剂的作用，缓解聚合物(nBA)相邻侧基之间的强偶极-偶极相互作用，从而达到低弹性模量(软)和低机械损耗(快)的目的。匹配弹性体交联点之间的平均分子量(Mc)有助于消除应力集中，延缓弹性体(韧性)的破坏。一定量的具有强定向极化的未交联链会提高合成弹性体的介电常数。
图1均匀杂化聚合物网络的性能。
【静态和动态驱动性能及非磁性运动】
当介质弹性体用于驱动器时，驱动器灵敏度(β)是评价驱动器性能最重要的参数之一，它定义为介电常数与杨氏模量的比值。当将薄膜等轴预拉伸至原直径的4倍时，BAC2弹性体薄膜在70 MV m -1下的面积应变达到118%，几乎是工业弹性体薄膜在相同电场下的3.5倍。这种良好的性能可以归因于较高的介电常数和较大的驱动应变。动态响应和循环驱动时，VHBTM 4910弹性体几乎需要5min才能达到最终应变的90%，而BAC2弹性体只需35.2 s就能达到相同的相对应变值(90%)。
软电机旋转过程中，BAC2电机比VHBTM 4910电机可以触发更高频率的旋转。在相同的驱动电场(48mv m -1)下，BAC2型电机的最大转速为0.72 r s-1，是VHBTM 4910型电机的15倍。
图2 介电弹性体薄膜制成的软性非磁性电机的机械输出性能。
综上，作者提出，通过优化交联网络来提高介电弹性体的驱动性能，使弹性体具有超高的韧性、较好的介电性能、应变面积大、机电响应快、抗疲劳性能好等优点，在低电场运行和宽频率输出的驱动领域具有广阔的应用前景。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24851-w
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来源：高分子科学前沿
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