《Sensors and Actuators A: Physical》：Polyurethane-based dielectric elastomers with DBA/BaTiO
3 synergistic enhancement and electromechanical actuation for bending and rolling modes
编辑推荐：
介电弹性体协同增塑改性使杨氏模量降至0.29MPa，介电常数达4782（1Hz），实现1200V下13.2mm弯曲位移和135mm/s滚动速度，为柔性电子与软体机器人提供高性能材料。
陈家安|熊霞|严永杰|徐璐|齐晓明|戴洪波|倪青青
浙江科技大学材料科学与工程学院，中国浙江省杭州市，310018
摘要
介电弹性体执行器（DEAs）在软体驱动技术中引起了广泛关注。然而，传统的介电弹性体（DEs）通常存在较高的驱动电压需求和有限的变形响应问题。为了解决这些挑战，通过溶液浇铸方法制备了一种具有增强极性和柔韧性的TPU/DBA/BaTiO3介电弹性体薄膜，其中使用了二丁基己二酸酯（DBA）作为极性增塑剂，钛酸钡（BaTiO3）作为高介电填料，热塑性聚氨酯（TPU）作为弹性基质。扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）的全面表征证实了复合薄膜的均匀微观结构和一致的化学成分。研究发现，0.5 wt%的BaTiO3负载量可实现最佳分散效果并保持结构完整性。DBA的加入显著改善了TPU基质的塑性，使杨氏模量（0.29 MPa）和弯曲刚度（0.00025 N·mm）大幅降低，从而赋予了材料高柔韧性并实现了大变形。同时，BaTiO3纳米填料将介电常数提升至1 Hz时的4782，这种提升归因于DBA诱导的偶极排列和BaTiO3产生的界面极化的协同效应。优化后的薄膜在1200 V电压下可实现最大13.2 mm的弯曲位移，并在1000 V和1 Hz的条件下经过600次循环测试后仍保持稳定的变形性能，显示出出色的循环耐久性。此外，0.5 wt%的BaTiO3添加显著增强了滚动驱动能力，产生的位移速率为135 mm·s-1，验证了“增塑剂-填料”协同效应的有效性。本研究表明，在填料负载量和增塑剂掺入量之间精确平衡对于调控介电和机械性能以实现高驱动效率至关重要。因此，TPU/DBA/BaTiO3介电弹性体为柔性执行器提供了一种多功能材料体系，具有在软体机器人、可穿戴电子设备和人工肌肉等领域的应用潜力。
引言
随着柔性电子设备和可穿戴设备的快速发展，具有轻量化、柔韧性和结构可调性的电活性功能材料受到了越来越多的关注[1],[2]。其中，介电弹性体（DEs）作为一种代表性的电活性聚合物，能够在外加电场下将电能转化为机械运动[3],[4]。凭借这一独特特性，DEs被认为是人工肌肉和柔性驱动系统中的有希望的候选材料[5],[6],[7]。然而，传统的DEs通常需要几伏到几十伏的驱动电压[8]，这不仅限制了其实际应用范围，还导致了高能耗和潜在的安全风险[9],[10]。在许多实际应用中，如可穿戴设备、软体机器人和人工肌肉[11],[12],[13]，高驱动电压引发了安全问题并阻碍了设备的小型化[14],[15]。因此，通过聚合物改性开发低驱动电压和高应变响应的介电弹性体对于推动柔性电子技术和可穿戴技术的发展具有重要意义[16]。
控制DEs机电驱动性能的两个关键参数是介电常数和杨氏模量，它们分别决定了材料的介电极化能力和变形能力[17],[18]。从驱动性能来看，提高介电常数可以在较低电场强度下实现大变形，而降低杨氏模量则显著改善相同电场下的应变响应[19]。常用的DE基质包括醋酸乙烯基共聚物胶带（VHB）[20]和硅橡胶[21]。然而，VHB的粘弹性损耗相对较高，而硅橡胶在介电强度和最大应变方面存在局限性[22]。热塑性聚氨酯（TPU）由于其独特的分子结构而具有优异的柔韧性、弹性和加工性，是DE应用的有希望的基质[23]。然而，原始TPU的介电常数通常低于7，因此需要通过物理或化学方法进一步改性以实现显著的驱动性能[24]。一种方法是引入高介电常数填料或导电材料，利用填料颗粒之间的微电容效应和填料与基质之间的导电性差异来诱导界面极化，从而提高介电常数[25]。例如，Xue等人[26]将钛酸钡（BaTiO3）纳米颗粒掺入TPU中，经过热处理后，其在1 Hz时的介电常数达到了8.1，增加了约54%。Sadasivuni等人[27]用改性氧化石墨烯填充聚氨酯，显著提高了其介电常数，尤其是在低频区域（0.01 Hz时）。然而，高介电填料的添加常常会导致颗粒聚集和刚性增加，从而影响柔韧性和应变响应。此外，过量填料会导致严重的填料聚集，引发局部介电击穿，不仅降低机电性能，还会增加能耗和热量产生[28]。使用极性增塑剂是另一种新兴且有效的改性方法。与传统的高介电填料相比，液态极性增塑剂可以与聚合物链相互作用，同时降低杨氏模量并提高介电常数，从而显著提升介电弹性体的机电性能[29],[30]。例如，Renard等人[31]研究了四种不同增塑剂在TPU中的应用，发现它们的掺入显著提高了基质的柔韧性，其极性基团也有助于增强介电响应[32]。此外，Li等人[33]将二丁基己二酸酯（DBA）掺入聚氯乙烯（PVC）中，制备的复合薄膜表现出优异的介电性能，介电常数为1100（1 Hz时），杨氏模量低至40 ± 3 kPa，显著改善了机电驱动性能。这些发现表明，与传统的固体高介电填料相比，液态极性增塑剂可以同时降低杨氏模量并提高介电常数，从而改善驱动变形。然而，考虑到软体执行器对低电压、大应变和高稳定性的要求，单一改性策略不足以同时满足所有性能要求。例如，高介电填料如BaTiO3可以显著提高材料的介电常数，但通常会导致刚性增加，从而限制应变响应。极性增塑剂可以改善柔韧性，但它们对介电常数和应变响应的增强效果有限。因此，结合高介电填料和极性增塑剂的改性方法被认为是一种有前景的策略。这种方法在保持或提高柔韧性和应变响应的同时，增强了介电常数，从而支持执行器应用的机电性能改进。
为了克服单一改性策略的局限性，并解决DEs在高驱动电压和介电响应不足方面的问题，本研究提出了一种新型复合材料设计。通过溶液混合和浇铸方法制备了复合薄膜，其中TPU作为弹性基质，BaTiO3作为高介电填料，DBA作为极性增塑剂。基于DBA的增塑效果，薄膜的杨氏模量降低至0.29 MPa。此外，在DBA的极性基团和BaTiO3的高介电性能作用下，薄膜的介电常数提升至1 Hz时的4782，获得了低电压驱动和高变形响应特性的介电弹性体薄膜。基于复合薄膜的机械和介电性能，设计了两种类型的柔性执行器，包括弯曲驱动和滚动驱动。在1200 V电压下，弯曲执行器可实现13.2 mm的弯曲位移，约为其自身长度的44%；滚动执行器的最大速度达到135 mm·s-1，约为其自身直径的19.2倍，展示了出色的驱动性能。总之，本工作强调了复合材料中高介电填料和极性增塑剂之间的关键平衡。开发的TPU/DBA/BaTiO3复合薄膜实现了低电压驱动、高变形能力和可靠的循环稳定性，为新型柔性执行器在可穿戴电子设备、软体机器人和人工肌肉等领域的应用提供了潜在的技术解决方案。
实验材料
热塑性聚氨酯（TPU，E390）购自日本Miractran有限公司。二丁基己二酸酯（DBA，99%）和四氢呋喃（THF，≥99.0%）购自上海Macklin生化有限公司。钛酸钡（BaTiO3，≥99.9%）由上海Aladdin生化技术有限公司提供。金箔（20 μm）购自日本Hakuzo有限公司。
TPU/DBA/BaTiO3复合薄膜和圆柱形薄膜的制备
TPU/DBA/BaTiO3复合薄膜是通过溶液混合和干燥方法制备的，具体过程如图1所示。
复合薄膜的微观形态和元素分析
图3展示了TPU/DBA和TPU/DBA/BaTiO3复合薄膜的横截面形态，以及T/D/BT-1 wt%薄膜中Ba和Ti的元素分布，以评估BaTiO3含量对薄膜微观结构和元素分散的影响。如图3a所示，TPU/DBA薄膜的横截面光滑，没有可见的颗粒或孔洞，表明内部结构均匀。当添加0.1 wt%的BaTiO3颗粒后（图3b），
结论
本研究通过DBA增塑剂和BaTiO3纳米填料的协同作用，开发了一种低驱动电压和高应变响应的TPU基介电弹性体。系统表征表明，BaTiO3和DBA的含量对复合材料的微观结构、机械柔韧性和介电性能有重要影响。SEM、EDS、XRD和XPS分析证实，在0.5 wt%的BaTiO3负载量下，BaTiO3实现了均匀分散；而过量填料（1 wt%）则导致了
CRediT作者贡献声明
齐晓明：研究工作。
徐璐：概念设计。
严永杰：方法论研究。
戴洪波：方法论研究、数据整理。
倪青青：撰写、审稿与编辑、研究工作。
熊霞：方法论研究。
陈家安：撰写初稿、方法论研究、数据整理、概念设计。
致谢
本研究得到了浙江省“先锋领导者+X”研发攻关计划（2024SJCZX0024）、浙江省基本公共服务研究计划（LTGG24E080002）、绍兴市工业技术攻关项目（2024B11010）和绍兴市基本公共服务项目（2024A11013）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者：
陈家安（第一作者）是浙江科技大学的硕士研究生。他的研究重点是聚氨酯基介电弹性体的优化制备和电驱动性能，特别关注智能材料在柔性电子设备、软体机器人和人工肌肉中的应用。他在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上发表了论文。
