一种电致粘附弹性体垫及其制备方法与应用

本发明涉及电致粘附材料，尤其是一种电致粘附弹性体垫及其制备方法与应用。

背景技术：

1、电粘附（electroadhesion, ea）是一种在外加电压下使介电致动器与目标基板之间产生静电吸引力的新兴驱动方式。该驱动方式具有结构轻便、响应快、功耗低、无需机械夹爪或真空系统即可实现可逆粘附等显著优势，因此在软体机器人、可穿戴辅助设备、柔性夹持器和触觉显示器等领域受到越来越多的关注。典型的电粘附垫可分为单电极型和叉指电极型两种构型。在单电极构型中，电极埋置于两层介电层之间，目标基板（通常为接地导体）充当对电极；叉指电极构型则将两个电极集成在同一介电表面上，借助面内电场和边缘电场产生粘附。对于单电极构型，外加电压在介电体与物体界面处诱导极化电荷，进而形成静电吸引。为提高电粘附应力，无论采用哪种构型，通常优选高介电常数材料，如铁电聚合物和高介电常数的聚偏氟乙烯（pvdf）复合材料，以充分利用其优异的极化能力。然而，刚性介电层和刚性电极都会阻碍电粘附垫与目标物体的共形接触。在夹持器等致动应用中，这种不完美接触成为关键瓶颈：静电力对接触质量极为敏感，为补偿因接触不良造成的有效界面面积损失，驱动电压往往需要高达数千伏，才能产生足够的粘附力。

2、为克服上述问题，近年来研究逐渐采用软弹性体替代刚性介电层，例如聚二甲基硅氧烷（pdms）、热塑性聚氨酯（tpu）和聚氯乙烯（pvc）凝胶等。这些材料的高柔顺性可保证与目标基板的紧密共形接触，最大化有效接触面积，从而在降低工作电压的同时实现稳健粘附。然而，早期此类软质电粘附垫仍沿用刚性金属电极，继续制约着整体的顺应能力。最近，已有方案采用全柔顺的单电极架构，即将柔顺电极封装在两层介电弹性体之间。这种全软设计不仅降低了结构复杂度，还消除了限制界面适应的最后一个刚性部件，从而保持了较高的电粘附性能。在该构型中，电粘附力来源于电粘附垫与物体之间的电位差，无需在目标物上设置单独的对电极。

3、尽管取得了上述进展，要在低电压下实现高电粘附性能仍面临挑战。在pdms中引入陶瓷纳米颗粒（如al2o3）虽可提高电粘附应力，但这类复合材料通常仍需数千伏电压才能产生仅数n/cm²的粘附应力。较新的做法是将金属有机框架（如zif-8）引入tpu以促进界面极化，在1kv电压下将电粘附应力提升至1.085 n/cm²。此外，一些超低电压电粘附方案往往借助离子传导、双电层形成、预充电驻极体或极性分子迁移等特殊物理机制，但这些途径普遍存在材料兼容性有限、环境稳定性差或机械强度不足的问题。例如，离子型介电材料（如离子弹性体和水凝胶）通过双电层极化，可在极低电压下产生极高的粘附力，但深受溶剂蒸发、不稳定性和力学性能薄弱的制约。因此，开发一种兼具低电压驱动、高环境稳定性和优异机械性能的电粘附弹性体，仍是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电致粘附弹性体垫及其制备方法与应用。电致粘附弹性体垫为一种电致静电吸附致动器，其基于tpu/有机半导体复合材料与柔性导电布，具有三明治结构。本发明通过将导电布在特定聚合物溶液中浸涂，使电极与介电层在界面处形成同质化牢固结合，彻底解决了电极剥离问题；同时，在介电层和电极包覆层中引入n型有机半导体，构建高效界面极化，显著提升电荷存储密度，从而在极低的驱动电压下实现超高静电吸附力，且正负电压下性能对称，保压稳定性优异。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种电致粘附弹性体垫，其特征在于，所述电致粘附弹性体垫具有三明治结构，包括柔性电极层以及分别设置于所述柔性电极层两侧的介电弹性体层；所述柔性电极层包括导电布基体和包覆于所述导电布基体表面的聚合物涂层；所述聚合物涂层由包含热塑性弹性体或热塑性弹性体和n型有机半导体分子的聚合物溶液经浸涂并干燥后形成；所述介电弹性体层由包含热塑性弹性体和n型有机半导体分子的复合薄膜制成。

4、本发明技术方案的进一步改进在于：所述热塑性弹性体为热塑性聚氨酯弹性体（tpu）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（sebs）、马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（sbs）中的至少一种，更优选为热塑性聚氨酯弹性体。

5、本发明技术方案的进一步改进在于：所述n型有机半导体分子为苝四甲酸二酐（ptcda）或其衍生物中的至少一种。ptcda分子具有大π共轭体系和高电子亲和势（lumo约），能够在tpu基体中充当深能级陷阱，在电场下高效捕获并稳定存储电子，大幅提升界面极化电荷密度，同时抑制漏电流，赋予致动器优异的低压电粘附性能和保压稳定性。

6、本发明技术方案的进一步改进在于：所述聚合物涂层由浸涂液经浸涂后干燥形成，所述浸涂液中，以热塑性弹性体为100质量份计，n型有机半导体分子的含量为0.05～5.0质量份。进一步优选为0.2～1.0质量份，最优选为0.6质量份。在此含量下，n型有机半导体分子在聚合物基体中达到最优分散，相界面面积最大，界面极化最强，同时力学柔顺性与模量达到最佳平衡。

7、本发明技术方案的进一步改进在于：所述介电弹性体层中，以热塑性弹性体为100质量份计，n型有机半导体分子的含量为0.05～5质量份；进一步优选为0.2～1.0质量份，最优选为0.6质量份。所述介电弹性体层的厚度为70～100μm。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：所述导电布为聚酯无纺布镀金属导电布、碳纤维导电布或镀金属无纺布中的至少一种；进一步优选为聚酯无纺布镀镍铜导电布；所述导电布的厚度小于100μm。

9、一种电致粘附弹性体垫的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤1、制备介电弹性体层薄膜：

11、将n型有机半导体分散于溶剂中，经搅拌或超声使其均匀分散；加入热塑性弹性体，继续搅拌至完全溶解，得到均一的第一聚合物溶液；将所述第一聚合物溶液在基板上涂布或浇铸成膜，经干燥去除溶剂，再进行退火处理消除内应力，即得介电弹性体层薄膜；

12、步骤2、制备柔性电极：

13、将n型有机半导体分散于溶剂中，搅拌至均匀；加入热塑性弹性体，继续搅拌至完全溶解，得到第二聚合物溶液；将导电布完全浸没于所述第二聚合物溶液中，充分浸润后取出，经干燥使溶剂挥发，热塑性弹性体与n型有机半导体分子共同包覆并填充于导电布的纤维间隙和表面，即得柔性电极；

14、所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或四氢呋喃中的至少一种；

15、步骤3、制备电致粘附弹性体垫：

16、将步骤2得到的柔性电极置于两层步骤1得到的介电弹性体层薄膜之间，形成三明治结构；在热压机中进行热压复合，使柔性电极表面的聚合物涂层与两侧介电弹性体层在界面处熔融结合，冷却后形成一体化牢固结构，制得所述电致粘附弹性体垫。

17、通过导电胶带或焊接方式从复合柔性电极引出导线，即得所述电致静电吸附致动器。

18、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤1中，干燥温度为60～100℃，干燥时间为1～2小时；退火温度为60～100℃，保温时间为7～8小时；

19、在步骤2中，浸渍时间为1～3分钟；干燥温度为60～100℃，干燥时间为0.8～1.5小时。

20、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤3中，所述热压复合的温度为120～150℃，压力为0.2～1 mpa，时间为2～10分钟。

21、电致粘附弹性体垫在制备低电压驱动柔性抓取器、可穿戴辅助设备或软体机器人致动器中的应用，所述电致粘附弹性体垫的工作电压不超过400 v。

22、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

23、1、界面结合强度高。本发明采用浸涂法使导电布表面及孔隙充分填充与介电弹性体层同质的聚合物复合材料，热压后柔性电极层与介电弹性体层熔融为一体，彻底解决了传统涂布电极易剥离、断裂的难题，器件耐弯折，寿命长。

24、2、驱动电压低、吸附力强。本发明通过在柔性电极层和介电弹性体层中引入n型有机半导体ptcda，构建了高效的半导体-绝缘体界面极化体系。ptcda的高电子亲和势和深陷阱特性使其在低电场下即可实现大量电子的注入与稳定存储，大幅提升表面束缚电荷密度。实验表明，ptcda含量为0.6质量份时综合性能最优：在320v直流电压下，电粘附应力可达10.81n/cm²，较纯tpu提升约73%；正负电压下力值对称，5分钟保压保持率>85%，断电脱附响应时间≤0.5s，50次循环力值波动≤±4%。

25、3、柔顺性好，共形贴合适用性强。本发明中导电布本身柔性优异，浸涂聚合物后仍保持良好的可弯曲性；介电弹性体层模量适中，在静电引力下能自适应物体表面形貌，增大有效接触面积，充分发挥静电吸附效能。

26、4、制备工艺简单，易于量产。本发明所用原料均为市售工业品，工序仅涉及溶液搅拌、浸涂、热压等常规操作，无需复杂设备，工艺窗口宽，重复性好，适于工业化批量生产。

27、5、本发明制得的电致粘附弹性体垫在柔性抓取手、离合器、可逆粘附材料等领域的应用，尤其适用于低压驱动的柔性抓取装置、可穿戴辅助设备和软体机器人等需要柔性电致粘附材料的场合。