CN104893601A - 一种具有两种导电结构的导电胶膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有两种导电结构的导电胶膜及其制备方法，该导电胶膜是由两种导电物质和胶粘剂层构成的兼具优良的力学强度和导电性能的导电胶膜，所述两种导电物质为在胶粘剂层2中植入的与胶粘剂层2平行的立体、网状的导电载体层3，以及在导电载体层3的上、下表面与被粘接物1之间，植入的具有一定厚度的导电填料层4。其中胶粘剂层2的材料为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂等热固性树脂，导电载体层3为经过导电处理或本体导电的织造或非织造布，导电填料层4为导电纤维或导电片层结构组成的阵列或堆积体。采用本发明提出的技术方案，可使导电胶的剪切强度≥25MPa，90°剥离强度≥3.5kN/m，体积电阻率＜5.0×10-4Ω·cm。
Description
技术领域
本发明是一种具有两种导电结构的导电胶膜及其制备方法，属于材料的导电粘接技术领域。
背景技术
用于在不损伤连接对象的前提下，将同质或异质的两个或多个材料连接起来的材料统称胶粘剂。其类型包括有机高分子材料、金属盐、无机高分子等，使用温度从零下数十度至上千度不等。其中应用最为广泛的是在(室温～200)℃固化胶接，可在(室温～100)℃范围内长期使用的有机高分子胶粘剂。
不管胶粘剂的类型为何，连接不同材料是其最基本的属性。但是，在实际应用的过程中，使用者除关注胶粘剂的胶接强度之外，往往还需要利用胶粘剂的某些功能特性。对功能性胶粘剂的选择主要依据胶粘剂应用的场合和其连接的对象而定。例如，用于连接电路系统中的导线、和抗静电、抗雷击、电磁屏蔽结构组装用的导电胶；用于散热片、照明系统内部结构连接的导热胶；以及用于减震、消音结构连接的阻尼减震胶粘剂；用于车、船、飞机等载具内部材料连接、装饰的绿色阻燃胶粘剂等不一而足。遗憾的是，在胶粘剂的基本属性和其功能化附加属性之间，常存在矛盾关系。以高分子导电胶为例，用于结构连接的高性能胶粘剂的胶接强度(单搭接拉伸剪切强度)通常在20MPa以上，航空领域用于承力结构胶接的结构胶接接头的铝-铝剪切强度实测值可达35MPa以上；而一旦对胶接接头的设计中加上了导电要求，使用目前市售的高性能导电胶如Henkel的8700、Uniwell的BQ-6886等进行胶接，虽然可获得理想的导电性，但其剪切强度通常不超过15MPa，而且几乎无法承受张开模式的剥离应力作用。
由于高分子材料本体绝缘，因此导电胶的作用原理主要是通过在高分子内部的导电填料如银、铜、碳填料等形成“导电网络”达到“渗流阈值”，实现在绝缘高分子内部的导通。但导电填料在高分子机体内的填充目前主要通过均匀分散的形式实现，大量的导电填料往往会降低材料的力学性能。
为避免大量填料带来的负面影响，经常采用片状和纤维状的导电填料，与颗粒状填料相比，可减少在渗流阈值时填料的添加量。但是，当填料的长径比超过50时，填料长径比增加对渗流阈值的影响逐渐减弱。浙江大学的吴希俊等人用高长径比银纳米线制备了银纳米线均匀填充导电胶，填料质量分数添加至50％时导电胶即可达到渗流阈值，胶粘剂剪切强度达17.6MPa，体积电阻率1.2×10-4Ω·cm。虽然具备了良好的导电性，但力学性能仍不能满足高强度胶接的要求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种具有两种导电结构的导电胶膜及其制备方法，其目的是将立体网状的导电微结构直接引入膜状高分子胶粘剂层，大幅降低导电填料的添加量，最大限度的保留胶粘剂层的力学性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提供了一种具有两种导电结构的导电胶膜，该导电胶膜由胶粘剂层(2)和植入其中的导电物质构成，用于粘接上、下被粘接物(1)，其特征在于：所述导电物质是指在胶粘剂层(2)中植入的与胶粘剂层(2)平行的立体、网状的导电载体层(3)，以及在导电载体层(3)的上、下表面与被粘接物(1)之间，植入的具有一定厚度的导电填料层(4)，该导电填料层(4)的导电微结构穿透胶粘剂层(2)将导电载体层(3)与被粘物(1)导通；
所述导电填料层(4)的厚度为胶粘剂层(2)厚度的0.5％～15％；
胶粘剂层(2)的材料为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂，上述原料经挤出、模压、辊炼、涂膜工序制成胶粘剂层(2)；
导电载体层(3)由柔性载体层(5)和导电介质(6)构成，其中，柔性载体层(5)的材料为尼龙、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、芳纶高分子纤维、碳纤维、碳纳米管、植物纤维的织物、无纺布或芳纶纸，在柔性载体层(5)的表面附着导电介质(6)，导电介质(6)的附着量在2～150g/m2之间，导电载体层(3)的厚度为胶粘剂层(2)厚度的70％～99％，导电介质(6)为以下之一：
a导电介质(6)的附着材料为银纳米线或颗粒、镍纳米线或颗粒、碳纳米管、石墨烯、气相碳纤维中一种或几种的混合物；
b导电介质(6)为银、铜、镍金属中一种或几种在柔性载体层(5)表面的沉积层；
c导电介质(6)为银、铜、镍金属中一种或几种在柔性载体层(5)表面的沉积层与银纳米线或颗粒、镍纳米线或颗粒、碳纳米管、石墨烯、气相碳纤维中一种或几种的混合物组成。
所述导电填料层(4)的材料为多层石墨烯、膨胀石墨、碳纳米管阵列、碳纳米角、银纳米线阵列、铜纳米线阵列、导电四针氧化锌晶须、导电氧化锌纳米花、导电氧化铜纳米花或导电氧化铝纳米花。
本发明技术方案还提供了一种用于制备所述具有两种导电结构的导电胶膜的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、制备导电载体层(3)，制备方法为以下之一：
1.1按权利要求1的a项选取导电介质(6)，加入到水、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、石油醚、乙酸乙酯、N，N二甲基甲酰胺、N，N二甲基乙酰胺、二甲亚砜或N-甲基吡咯烷酮等溶剂中，配成悬浊液，悬浊液的浓度为1mg/ml～200mg/ml，将柔性载体层(5)在其中浸泡5min～30min，取出后在室温晾干或烘干，制成导电载体层(3)；
1.2按权利要求1的b项选取导电介质(6),用化学镀、电镀、气相化学沉积、磁控溅射的方法将导电介质(6)沉积在柔性载体层(5)表面；
1.3按权利要求1的c项选取导电介质(6),按上述步骤1.1先将银纳米线或颗粒、镍纳米线或颗粒、碳纳米管、石墨烯、气相碳纤维中一种或几种的混合物附着到柔性载体层(5)上，再按上述步骤1.2沉积银、铜、镍金属中一种或几种；
步骤二、胶粘剂层(2)的胶膜放置在平板压力机上加热至软化温度，将导电载体层(3)压入到软化的胶粘剂层(2)的胶膜中间位置处，该导电载体层(3)与胶粘剂层(2)的上、下表面平行；
或用胶膜机将已加热至软化温度之上、用于成型胶粘剂层(2)的树脂直接涂覆在导电载体层(3)上；
步骤三、按权利要求1所述选取导电填料层(4)的材料,加入到上述步骤1.1中所述溶剂中，再加入胶粘剂层(2)的胶膜，配制成悬浊液涂布在经过脱膜剂处理的模板或脱膜布上，晾干或烘干后形成带有导电微结构的导电填料层(4)，导电填料层(4)的材料与胶粘剂层(2)的胶膜的体积比为0.5～5，导电填料层(4)的材料在模板或脱膜布上的面密度为5～20g/m2；
步骤四、将涂布有导电微结构的模板或脱膜布贴在步骤二形成的胶粘剂层(2)的两侧面，在平板压力机上，进行加压、加温使导电微结构穿刺到胶粘剂层(2)内部，与导电载体层(3)接触；
或省略上述步骤三，直接将导电填料层(4)的材料均匀的撒在步骤⑵形成的胶粘剂层(2)两侧面，在胶膜机上，进行加压、加温使导电微结构穿刺到胶粘剂层(2)内部，与导电载体层(3)接触，撒在胶粘剂层(2)侧面的导电填料层(4)的材料的面密度为3～15g/m2；
上述加压的压力为0.1MPa～10MPa，加温的温度为50℃～220℃。
本发明技术方案的特点是在胶粘剂层(2)的内部包含了导电载体层(3)和导电填料层(4)两种导电结构，两种导电结构均与胶粘剂层(2)的树脂基体有良好的相容性。导电填料层(4)在导电载体层(3)和被粘物(1)之间建立起三维立体网状的导电微结构，该种导电微结构的设计解决了直接将导电物质植入胶粘剂层(2)内部时，因其不能完全伸展而形成与被粘物(1)之间出现高电阻的绝缘树脂层这一问题，该种导电微结构由高长径比的导电填料堆叠而成，可穿透胶粘剂层(2)，将导电载体层(3)与被粘物(1)导通。该种导电微结构和导电载体层(3)可以大幅降低导电填料的添加量，最大限度的保留高分子胶粘剂层(2)的内聚强度，相当于提高了胶粘剂层(2)的力学性能。
本发明技术方案中，形成导电填料层(4)的材料具有柔性，由于导电微结构处于胶粘剂层(2)中，具有柔性可使导电微结构被粘物(1)的凹凸处形成机械嵌合，可提升界面区域的胶接强度。因为剥离应力和应变集中多在胶粘剂层(2)的界面区域中，使胶接接头容易受到剥离破坏，因此该种作用可提升胶粘剂的剥离强度。
本发明技术方案提出的具有两种导电结构的导电胶膜，其剪切强度≥25MPa，90°剥离强度≥3.5kN/m，体积电阻率＜5.0×10-4Ω·cm。
附图说明
附图1为实施例1中导电四针氧化锌的导电填料层4的扫描电镜照片
附图2为实施例1中导电尼龙纱网的导电载体层3的扫描电镜照片
附图3为实施例1中胶接接头截面的扫描电镜照片
附图4为实施例1中胶接接头截面的XRD面扫描照片
附图5为实施例1中导电尼龙纱网的导电载体层3的结构示意图
附图6为实施例1中用电填料层4、导电载体层3组成的两种导电物质的分布示意图
附图7为实施例2中用膨胀石墨的导电填料层4、用导电芳纶无纺布的导电载体层3、用双马树脂制成的胶粘剂层2的结构示意图
附图8为实施例3中导电胶膜的连续法生产过程示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
参见附图1～6所示，该导电胶膜由环氧树脂制备的胶粘剂层2和植入其中的导电物质构成，用于粘接上、下被粘接物1，其特征在于：所述导电物质是指在胶粘剂层2中植入的与胶粘剂层2平行的立体、网状的导电载体层3，以及在导电载体层3的上、下表面与被粘接物1之间，植入的具有一定厚度的采用导电四针氧化锌制备的导电填料层4，该导电填料层4的导电微结构穿透胶粘剂层2将导电载体层3与被粘接物1导通；
该导电填料层4的厚度为胶粘剂层2厚度的15％；
胶粘剂层2的胶膜由挤出工艺制成；
导电载体层3由采用尼龙织物制备的柔性载体层5和附着在柔性载体层5上的导电介质层6构成，导电介质层6采用银沉积的方式形成，导电介质层6的银沉积附着量为20g/m2，导电载体层3的厚度为胶粘剂层2厚度的85％。
制备实施例1所述的导电胶膜的方法的步骤如下：
步骤一、制备导电载体层3，制备方法为：
用化学镀法将银沉积在经敏化和活化后的尼龙织物的表面，银沉积附着量为20g/m2；
步骤二、将采用胶环氧树脂制备的胶粘剂层2放置在平板压力机上加热至软化温度，将导电载体层3压入到软化的胶粘剂层2的胶膜中间位置处，该导电载体层3与胶粘剂层2的上、下表面平行；
步骤三、制备导电填料层4，制备方法为：
将导电四针氧化锌加入到二氯甲烷中，再加入环氧树脂，配制成悬浊液涂布在经过脱膜剂处理的模板或脱膜布上，晾干或烘干后成为电填料层4，导电四针氧化锌与环氧树脂的体积比为2.5，导电四针氧化锌在模板或脱膜布上的面密度为20g/m2；
步骤四、将导电填料层4贴在步骤二形成的胶粘剂层2的两侧面，在平板压力机上，进行加压、加温使导电填料层4上的导电微结构穿刺到胶粘剂层2内部，与导电载体层3接触；
上述加压的压力为5MPa，加温的温度为100℃。
附图1为导电四针氧化锌的导电填料层4的扫描电镜照片。该导电四针状晶须具有独特的立体结构，无论该晶须的初始取向为何，由其组成的导电填料层4的厚度均为一恒定值；
附图2为导电尼龙纱网的导电载体层3的扫描电镜照片。以该导电载体层3为依托，可用最少量的导电介质6，在胶粘剂层2的内部形成连续伸展的导电网络；
附图3为实施例1中胶接接头截面的扫描电镜照片，从该照片可看出，胶粘剂层2的截面被线状和圆弧状的两种结构贯穿，与被粘接物1相连；
附图4为实施例1中胶接接头截面的XRD面扫描照片，该照片说明附图3中的线状和圆弧状的两种连续结构中含有大量导电的银元素；
附图5为实施例1中导电尼龙纱网的导电载体层3的结构示意图，导电载体层3由柔性载体层5和其外侧包覆的导电介质6共同构成；
附图6为实施例1中用电填料层4、导电载体层3组成的两种导电物质的分布示意图，导电填料层4位于导电载体层3的上下两侧，与上下被粘接物1相连，胶粘剂层2填充在其间的空隙中。
实施例2
参见附图7所示，该导电胶膜由双马来酰亚胺树脂制备的胶粘剂层2和植入其中的导电物质构成，用于粘接上、下被粘接物1，其特征在于：所述导电物质是指在胶粘剂层2中植入的与胶粘剂层2平行的立体、网状的导电载体层3，以及在导电载体层3的上、下表面与被粘接物1之间，植入的具有一定厚度的采用膨胀石墨制备的导电填料层4，该导电填料层4的导电微结构穿透胶粘剂层2将导电载体层3与被粘接物1导通；
该导电填料层4的厚度为胶粘剂层2厚度的10％；
胶粘剂层2的胶膜由辊炼工艺制成；
导电载体层3由采用芳纶纤维无纺布制备的柔性载体层5和附着在柔性载体层5上的导电介质层6构成，导电介质层6由银纳米线和镍沉积的混合物形成，导电介质层6的银纳米线和镍沉积附着量为80g/m2，导电载体层3的厚度为胶粘剂层2厚度的90％。
制备实施例2所述的导电胶膜的方法的步骤如下：
步骤一、制备导电载体层3，制备方法为：
1.1将银纳米线加入到丙醇中，配成悬浊液，悬浊液的浓度为5mg/ml，将芳纶纤维无纺布在其中浸泡5min，取出后在室温晾干或烘干；
1.2用磁控溅射的方法，将镍沉积在经步骤1.1处理的芳纶纤维无纺布5的表面，得到导电载体层3；
步骤二、用胶膜机将已加热至软化温度之上、用于成型胶粘剂层2的双马来酰亚胺树脂直接涂覆在导电载体层3上；
步骤三、制备导电填料层4，制备方法为：
将膨胀石墨加入到氯仿中，再加入双马来酰亚胺树脂，配制成悬浊液涂布在经过脱膜剂处理的模板或脱膜布上，晾干或烘干后成为电填料层4，膨胀石墨与双马来酰亚胺树脂的体积比为5，膨胀石墨在模板或脱膜布上的面密度为10g/m2；
步骤四、将导电填料层4贴在步骤二形成的胶粘剂层2的两侧面，在平板压力机上，进行加压、加温使导电填料层4上的导电微结构穿刺到胶粘剂层2内部，与导电载体层3接触；
上述加压的压力为2MPa，加温的温度为80℃。
附图7为实施例2中用膨胀石墨的导电填料层4、用导电芳纶无纺布的导电载体层3、用双马树脂制成的胶粘剂层2的结构示意图，在该实施例的制备过程中，导电载体层3被铺覆在胶粘剂层2的上下两侧，二者通过热压结合，导电填料层4则通过翻印法植入胶粘剂层2表面。
实施例3
该导电胶膜由氰酸酯树脂制备的胶粘剂层2和植入其中的导电物质构成，用于粘接上、下被粘接物1，其特征在于：所述导电物质是指在胶粘剂层2中植入的与胶粘剂层2平行的立体、网状的导电载体层3，以及在导电载体层3的上、下表面与被粘接物1之间，植入的具有一定厚度的采用碳纳米管制备的导电填料层4，该导电填料层4的导电微结构穿透胶粘剂层2将导电载体层3与被粘接物1导通；
该导电填料层4的厚度为胶粘剂层2厚度的1％；
胶粘剂层2的胶膜由涂膜工艺制成；
导电载体层3由采用碳纤维织物制备的柔性载体层5和附着在柔性载体层5上的导电介质层6构成，导电介质层6的材料为石墨烯，导电介质层6的石墨烯附着量为5g/m2，导电载体层3的厚度为胶粘剂层2厚度的99％。
参见附图8所示，制备实施例3所述的导电胶膜的方法的步骤如下：
步骤一、制备导电载体层3，制备方法为：
用气相化学沉积法将石墨烯沉积在碳纤维织物表面；
步骤二、用胶膜机将已加热至软化温度之上、用于成型胶粘剂层2的氰酸酯树脂直接涂覆在导电载体层3上；
步骤三、将碳纳米管材料均匀的撒在步骤二形成的胶粘剂层2两侧面形成导电填料层4，在胶膜机上，进行加压、加温使导电填料层4上的导电微结构穿刺到氰酸酯树脂胶粘剂层2内部，与高导电碳纤维织物层3接触，撒在胶粘剂层2侧面的碳纳米管层材料的面密度为2g/m2。
上述加压的压力为5MPa，加温的温度为100℃。
附图8为实施例3中导电胶膜的连续法生产过程示意图，与实施例1、实施例2相比，该实施例所述工艺方案的优势在于可自动化、连续制备胶膜，适用于导电胶膜的大规模生产。
与现有技术相比，本发明技术方案所述的导电胶膜兼具高强度的界面和内聚强度，以及更优良的导电性能，实现了胶粘剂的结构-功能一体化。该导电胶膜可用于航空航天、汽车制造、新能源利用、电子设备生产等领域中承力结构和制件的导电连接、雷击和大电流防护，以及电磁屏蔽保障。
Claims (2)
1.一种具有两种导电结构的导电胶膜，该导电胶膜由胶粘剂层(2)和植入其中的导电物质构成，用于粘接上、下被粘接物(1)，其特征在于：所述导电物质是指在胶粘剂层(2)中植入的与胶粘剂层(2)平行的立体、网状的导电载体层(3)，以及在导电载体层(3)的上、下表面与被粘接物(1)之间，植入的具有一定厚度的导电填料层(4)，该导电填料层(4)的导电微结构穿透胶粘剂层(2)将导电载体层(3)与被粘物(1)导通；
所述导电填料层(4)的厚度为胶粘剂层(2)厚度的0.5％～15％；
胶粘剂层(2)的材料为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂，上述原料经挤出、模压、辊炼、涂膜工序制成胶粘剂层(2)；
导电载体层(3)由柔性载体层(5)和导电介质(6)构成，其中，柔性载体层(5)的材料为尼龙、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、芳纶高分子纤维、碳纤维、碳纳米管、植物纤维的织物、无纺布或芳纶纸，在柔性载体层(5)的表面附着导电介质(6)，导电介质(6)的附着量在2～150g/m2之间，导电载体层(3)的厚度为胶粘剂层(2)厚度的70％～99％，导电介质(6)为以下之一：
a导电介质(6)的附着材料为银纳米线或颗粒、镍纳米线或颗粒、碳纳米管、石墨烯、气相碳纤维中一种或几种的混合物；
b导电介质(6)为银、铜、镍金属中一种或几种在柔性载体层(5)表面的沉积层；
c导电介质(6)为银、铜、镍金属中一种或几种在柔性载体层(5)表面的沉积层与银纳米线或颗粒、镍纳米线或颗粒、碳纳米管、石墨烯、气相碳纤维中一种或几种的混合物组成。
所述导电填料层(4)的材料为多层石墨烯、膨胀石墨、碳纳米管阵列、碳纳米角、银纳米线阵列、铜纳米线阵列、导电四针氧化锌晶须、导电氧化锌纳米花、导电氧化铜纳米花或导电氧化铝纳米花。
2.一种用于制备权利要求1所述的具有两种导电结构的导电胶膜的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、制备导电载体层(3)，制备方法为以下之一：
1.1按权利要求1的a项选取导电介质(6)，加入到水、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、石油醚、乙酸乙酯、N，N二甲基甲酰胺、N，N二甲基乙酰胺、二甲亚砜或N-甲基吡咯烷酮等溶剂中，配成悬浊液，悬浊液的浓度为1mg/ml～200mg/ml，将柔性载体层(5)在其中浸泡5min～30min，取出后在室温晾干或烘干，制成导电载体层(3)；
1.2按权利要求1的b项选取导电介质(6),用化学镀、电镀、气相化学沉积、磁控溅射的方法将导电介质(6)沉积在柔性载体层(5)表面；
1.3按权利要求1的c项选取导电介质(6),按上述步骤1.1先将银纳米线或颗粒、镍纳米线或颗粒、碳纳米管、石墨烯、气相碳纤维中一种或几种的混合物附着到柔性载体层(5)上，再按上述步骤1.2沉积银、铜、镍金属中一种或几种；
步骤二、胶粘剂层(2)的胶膜放置在平板压力机上加热至软化温度，将导电载体层(3)压入到软化的胶粘剂层(2)的胶膜中间位置处，该导电载体层(3)与胶粘剂层(2)的上、下表面平行；
或用胶膜机将已加热至软化温度之上、用于成型胶粘剂层(2)的树脂直接涂覆在导电载体层(3)上；
步骤三、按权利要求1所述选取导电填料层(4)的材料,加入到上述步骤1.1中所述溶剂中，再加入胶粘剂层(2)的胶膜，配制成悬浊液涂布在经过脱膜剂处理的模板或脱膜布上，晾干或烘干后形成带有导电微结构的导电填料层(4)，导电填料层(4)的材料与胶粘剂层(2)的胶膜的体积比为0.5～5，导电填料层(4)的材料在模板或脱膜布上的面密度为5～20g/m2；
步骤四、将涂布有导电微结构的模板或脱膜布贴在步骤二形成的胶粘剂层(2)的两侧面，在平板压力机上，进行加压、加温使导电微结构穿刺到胶粘剂层(2)内部，与导电载体层(3)接触；
或省略上述步骤三，直接将导电填料层(4)的材料均匀的撒在步骤⑵形成的胶粘剂层(2)两侧面，在胶膜机上进行加压、加温使导电微结构穿刺到胶粘剂层(2)内部，与导电载体层(3)接触，撒在胶粘剂层(2)侧面的导电填料层(4)的材料的面密度为3～15g/m2；
上述加压的压力为0.1MPa～10MPa，加温的温度为50℃～220℃。
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