内增塑型高介电两性离子弹性体实现低压驱动突破

为解决高介电常数（high-k）弹性体依赖外部添加剂导致电荷积累效率低的问题，研究人员通过共聚两性离子单体与低玻璃化转变温度（Tg ）单体，开发出兼具高介电常数（49.6 @ 10 Hz）和高柔顺性（2.6 MPa?1 ）的内增塑两性离子弹性体（PZDEs）。该材料在220 VAC （～11.4 V/μm）家用电压下实现100%面积应变，为低电压驱动电介质弹性体致动器（DEAs）提供了新策略。

　　

研究背景与意义

电介质弹性体致动器（Dielectric Elastomer Actuators, DEAs）因其轻质、高应变和快速响应特性，在柔性机器人、人工肌肉等领域备受关注。然而，传统弹性体如硅胶（介电常数2-3）和丙烯酸酯（3-5）难以兼顾高介电性与机械柔顺性。现有方法依赖陶瓷填料或导电添加剂，但会引发电击穿风险、机械不稳定等问题。两性离子（Zwitterion）聚合物虽具强偶极矩，却因高Tg
导致链段运动受限，阻碍极化效率。如何通过分子设计实现无溶剂、高稳定的low-voltage驱动成为关键挑战。

韩国国立研究团队在《Materials Today》发表研究，提出通过共聚两性离子单体与低Tg
内增塑单体，开发出内增塑两性离子弹性体（PZDEs）。该材料在室温下介电常数提升至49.6（10 Hz），弹性模量达2.6 MPa^?1
，仅需220 V_AC
（～11.4 V/μm）即可驱动100%面积应变，为DEAs的低压操作开辟了新路径。

关键技术方法

研究采用共聚策略合成两性离子弹性体：以3-[[2-(丙烯酰氧基)乙基]二甲基铵]丙烷-1-磺酸盐（Zw单体）提供偶极矩，4-羟基丁基丙烯酸酯（HBA单体）作为内增塑剂降低Tg
。通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）表征热力学性能，动态机械分析（DMA）评估柔顺性，宽频介电谱测试介电响应，并构建DEA器件验证电致应变性能。

研究结果

Results and Discussion

1. 分子设计实现低Tg
   与高极化效率：纯两性离子聚合物（ZP）Tg
   高达126.8°C，而HBA共聚使Tg
   降至室温以下，促进两性离子侧链取向极化。
2. 介电与机械性能协同优化：当HBA含量为50 wt%时，PZDEs介电常数达49.6（10 Hz），弹性模量降至0.38 MPa（2.6 MPa^?1
   ），显著优于纯ZP（ε
   ≈10）。
3. 低压驱动DEA应用：基于PZDEs的DEA在220 V_AC
   下实现100%面积应变，且无溶剂泄漏或电击穿风险，验证了其实际应用潜力。

Conclusion
研究通过内增塑策略突破了两性离子聚合物的高Tg
限制，首次实现高介电常数与低模量的协同。PZDEs的低压驱动能力（～11.4 V/μm）为柔性电子、生物医学设备等领域的低能耗设计提供了新材料基础。

意义与展望

该工作不仅为高k柔性介电材料开发提供了普适性分子设计思路（可拓展至其他极性聚合物），还解决了DEAs依赖高压驱动的核心瓶颈。未来可进一步探索两性离子构型对极化效率的影响，或结合微结构工程提升性能。作者团队（Jeong-Yun Sun等）强调，这一“全有机”策略避免了复合材料的相分离问题，具有规模化应用前景。