CN104987701A - 一种电致伸缩性tpu薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电致伸缩性TPU薄膜及其制备方法和应用，本发明采用80-90重量份TPU颗粒、15-20重量份环氧树脂、1-4重量份聚碳化二亚胺、5-15重量份碳纳米管、6-10重量份纳米钛酸钡和0.5-8重量份抗氧剂制备得到的电致伸缩性TPU薄膜，通过各组分之间的配合，以及组分之间的协同作用，使得TPU薄膜具有18-25％的电致伸缩性，优良的耐高温性和耐水解性，以及良好的机械性能，是一种具有良好综合性能的TPU薄膜，可用于功能性薄膜领域。
Description
技术领域
本发明属于TPU薄膜制备技术领域，具体涉及一种电致伸缩性TPU薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是由线性多元醇(通常为聚酯或聚醚多元醇)、有机二异氰酸酯和小分子扩链剂构成。TPU还具有优良的耐撕裂、耐磨、耐低温等性能，然而随着功能材料的发展，对于一些领域，如人造肌肉、电敏感材料以及传感器等领域，期望利用具有理想电致伸缩性的TPU来完成该领域的功能需求，例如利用TPU弹性体或TPU薄膜模拟人体肌肉实现医学应用，又如利用TPU弹性体或TPU薄膜的电致伸缩性能来完成电能向机械能的转换，从而可用于传感器领域等。这需要TPU具有良好的电致伸缩性，然而目前TPU材料的电致伸缩性能还不理想。
CN 104262947 A公开了一种耐高温TPU薄膜及其制备方法，所述TPU薄膜按重量份数包括以下成分：TPU颗粒50～68；抗氧剂0.2～0.8；催化剂0.05～0.4。该发明得到了一种耐高温的TPU薄膜，但是该薄膜的电致伸缩性能比较弱。
CN 101604727 A公开了一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基底，分散在所述柔性高分子基底中的多个碳纳米管。其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多个陶瓷颗粒。该发明虽然得到了一种电致伸缩复合材料，但是该材料的电致伸缩性仅为1-8％，不能满足应用的需要。
因此，在本领域中，期望得到一种具有更好的电致伸缩性能，同时具有良好耐高温、耐水解以及良好机械性能的TPU薄膜。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电致伸缩性TPU薄膜及其制备方法和应用，本发明的TPU薄膜，具有良好的电致伸缩性，并且耐高温、耐水解，具有良好的机械性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种电致伸缩性TPU薄膜，所述TPU薄膜主要由以下原料制备而成：
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述TPU颗粒为聚酯型TPU颗粒和/或聚醚型TPU颗粒。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述TPU颗粒的用量为80-90重量份，例如80重量份、81重量份、82重量份、83重量份、84重量份、85重量份、86重量份、87重量份、88重量份、89重量份或90重量份。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、溴化双酚A型环氧树脂或酚醛型环氧树脂中的一种或至少两种的混合物。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述环氧树脂的用量为15-20重量份，例如15重量份、15.5重量份、15.8重量份、16重量份、16.3重量份、16.5重量份、16.8重量份、17重量份、17.3重量份、17.5重量份、17.8重量份或18重量份。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述聚碳化二亚胺的用量为1-4重量份，例如1重量份、1.2重量份、1.5重量份、1.8重量份、2重量份、2.3重量份、2.5重量份、2.8重量份、3重量份、3.5重量份、3.8重量份或4重量份。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述碳纳米管的用量为5-15重量份，例如5重量份、5.5重量份、6重量份、6.5重量份、7重量份、7.5重量份、8重量份、8.5重量份、9重量份、9.5重量份、10重量份、10.5重量份、11重量份、11.5重量份、12重量份、12.5重量份、13重量份、13.5重量份、14重量份、14.5重量份或15重量份。
在本发明中，碳纳米管的加入增强TPU薄膜的导电性。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述纳米钛酸钡的用量为6-10重量份，例如6重量份、6.5重量份、7重量份、7.5重量份、8重量份、8.5重量份、9重量份、9.5重量份或10重量份。
在本发明中，纳米钛酸钡的加入能够提高TPU薄膜的电致伸缩性，使得这种薄膜在电压驱动下具有良好的伸缩性能。
在本发明所述的电致伸缩性TPU薄膜中，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂264、抗氧剂TPP或抗氧剂TNP。
另一方面，本发明提供了如第一方面所述的电致伸缩性TPU薄膜的制备方法，所述方法为将各原料成分预先干燥，混合均匀，挤出得到所述电致伸缩性TPU薄膜。
在本发明所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法中，所述干燥温度为50-60℃，例如50℃、52℃、55℃、57℃、59℃或60℃，干燥时间为1-2h，例如1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2h。
在本发明所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法中，所述挤出温度为150-180℃，例如150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃。
在本发明所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法中，所述挤出利用流延机挤出。
在本发明所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法中，所述流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃，例如130℃、132℃、134℃、135℃、137℃、139℃或140℃；滤网温度为140-150℃，例如140℃、142℃、144℃、145℃、147℃、149℃或150℃；弯头温度为150-160℃，例如150℃、152℃、154℃、155℃、157℃、159℃或160℃；连接温度为135-150℃，例如135℃、138℃、140℃、142℃、144℃、145℃、147℃、149℃或150℃；模头温度为150-165℃，例如150℃、152℃、154℃、155℃、157℃、159℃、160℃、162℃、164℃或165℃。
作为优选技术方案，本发明所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法包括以下步骤：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1-2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃，得到所述电致伸缩性TPU薄膜。
另一方面，本发明提供了如第一方面所述的电致伸缩性TPU薄膜在功能性薄膜领域的应用。例如，本发明的TPU薄膜可用于人造肌肉、电敏感材料、传感器等领域。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用80-90重量份TPU颗粒、15-20重量份环氧树脂、1-4重量份聚碳化二亚胺、5-15重量份碳纳米管、6-10重量份纳米钛酸钡和0.5-8重量份抗氧剂制备得到的电致伸缩性TPU薄膜，通过各组分之间的配合，以及组分之间的协同作用，使得TPU薄膜具有18-25％的电致伸缩性，优良的耐高温性和耐水解性，以及良好的机械性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
在本实施例中，由以下原料制备电致伸缩性TPU薄膜：
制备方法如下：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130℃；滤网温度为140℃；弯头温度为150℃；连接温度为150℃；模头温度为165℃，得到电致伸缩性TPU薄膜。
实施例2
在本实施例中，由以下原料制备电致伸缩性TPU薄膜：
制备方法如下：将各原料成分预先在50-60℃下干燥2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为135℃；滤网温度为150℃；弯头温度为140℃；连接温度为150℃；模头温度为160℃，得到电致伸缩性TPU薄膜。
实施例3
在本实施例中，由以下原料制备电致伸缩性TPU薄膜：
制备方法如下：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1.5h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为140℃；滤网温度为145℃；弯头温度为160℃；连接温度为135℃；模头温度为150℃，得到电致伸缩性TPU薄膜。
实施例4
在本实施例中，由以下原料制备电致伸缩性TPU薄膜：
制备方法如下：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1.5h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为138℃；滤网温度为145℃；弯头温度为150℃；连接温度为145℃；模头温度为165℃，得到电致伸缩性TPU薄膜。
实施例5
在本实施例中，由以下原料制备电致伸缩性TPU薄膜：
制备方法如下：将各原料成分预先在50-60℃下干燥2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为135℃；滤网温度为145℃；弯头温度为155℃；连接温度为150℃；模头温度为150℃，得到电致伸缩性TPU薄膜。
实施例6
在本实施例中，由以下原料制备电致伸缩性TPU薄膜：
制备方法如下：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为140℃；滤网温度为145℃；弯头温度为155℃；连接温度为140℃；模头温度为155℃，得到电致伸缩性TPU薄膜。
对比例1
该对比例与实施例1的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中不包括碳纳米管和纳米钛酸钡，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例2
该对比例与实施例1的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中不包括碳纳米管，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例3
该对比例与实施例1的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中不包括纳米钛酸钡，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例4
该对比例与实施例1的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中TPU颗粒的用量为79重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例5
该对比例与实施例1的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中TPU颗粒的用量为92重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例6
该对比例与实施例2的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中环氧树脂的用量为14重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例2相同。
对比例7
该对比例与实施例2的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中环氧树脂的用量为21重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例2相同。
对比例8
该对比例与实施例3的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中聚碳化二亚胺的用量为5重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例3相同。
对比例9
该对比例与实施例4的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中碳纳米管的用量为4重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例4相同。
对比例10
该对比例与实施例4的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中碳纳米管的用量为16重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例4相同。
对比例11
该对比例与实施例5的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中纳米钛酸钡的用量为5重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例5相同。
对比例12
该对比例与实施例6的不同之处在于制备TPU薄膜的原料中纳米钛酸钡的用量为12重量份，其余原料与原料用量以及制备方法和条件均与实施例6相同。
对实施例1-6制备的电致伸缩性TPU薄膜以及对比例1-12制备的TPU薄膜的性能进行测定，测定结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，本发明制备的TPU薄膜(实施例1-6)的电致伸缩率为18-25％，具有优良的耐高温性和耐水解性，拉伸强度为57-65Mpa，撕裂强度为130-135Mpa，具有良好的机械性能。而如果TPU薄膜原料中不加入碳纳米管和纳米钛酸钡(对比例1)，得到的TPU薄膜的电致伸缩率仅为2％；如果TPU薄膜原料中不加入碳纳米管(对比例2)，虽然纳米钛酸钡的加入也在一定程度上提高了TPU薄膜的电致伸缩率，但是由于材料导电性不够，所以导致TPU薄膜的电致伸缩率仅为7％；当TPU薄膜原料中不加入纳米钛酸钡时(对比例3)，虽然碳纳米管增强了材料的导电性，使得电致伸缩性有所提高，但也只能达到5％；而当同时加入本发明用量范围内的碳纳米管和纳米钛酸钡时(实施例1)，TPU薄膜的电致伸缩率有显著的提高，达到18％，这说明碳纳米管和纳米钛酸钡两者协同作用增强了TPU薄膜的电致伸缩率。
另外，本发明的TPU薄膜要想取得优异的电致伸缩率以及耐高温、耐水解以及良好机械性能，各成分之间需要有机配合，当TPU薄膜原料中某种或某些组分的含量不在本发明的限定范围内时，会对TPU薄膜的性能产生影响，例如对比例4-12，由于某种组分用量超出本发明限定范围，导致TPU薄膜的电致伸缩率、耐高温、耐水解以及机械性能均远远低于本发明制备的TPU薄膜。
因此，本发明采用80-90重量份TPU颗粒、15-20重量份环氧树脂、1-4重量份聚碳化二亚胺、5-15重量份碳纳米管、6-10重量份纳米钛酸钡和0.5-8重量份抗氧剂制备得到的电致伸缩性TPU薄膜，通过各组分之间的配合，以及组分之间的协同作用，使得TPU薄膜具有18-25％的电致伸缩性，优良的耐高温性和耐水解性，以及良好的机械性能，可用于功能性薄膜领域，例如，本发明的TPU薄膜可用于人造肌肉、电敏感材料、传感器等领域。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的电致伸缩性TPU薄膜极其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种电致伸缩性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU薄膜主要由以下原料制备而成：
2.根据权利要求1所述的电致伸缩性TPU薄膜，其特征在于，所述TPU颗粒为聚酯型TPU颗粒和/或聚醚型TPU颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的电致伸缩性TPU薄膜，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、溴化双酚A型环氧树脂或酚醛型环氧树脂中的一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电致伸缩性TPU薄膜，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电致伸缩性TPU薄膜，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂264、抗氧剂TPP或抗氧剂TNP。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电致伸缩性TPU薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法为将各原料成分预先干燥，混合均匀，挤出得到所述电致伸缩性TPU薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为50-60℃，干燥时间为1-2h。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出利用流延机挤出；
优选地，所述流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电致伸缩性TPU薄膜的制备方法包括以下步骤：将各原料成分预先在50-60℃下干燥1-2h，混合均匀，经流延机挤出，流延机的各段温度设置如下：料筒温度为130-140℃；滤网温度为140-150℃；弯头温度为150-160℃；连接温度为135-150℃；模头温度为150-165℃，得到所述电致伸缩性TPU薄膜。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的电致伸缩性TPU薄膜在功能性薄膜领域的应用。
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