CN106129040A - 一种可拉伸导电线缆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种可拉伸导电线缆及其制备方法，属于可拉伸电子学领域。导电电缆由弹性基体与导电填料复合而成。选择热塑性弹性体作为基体，填料选择兼具高本征电导率和高纵横比的一维线形或二维片状纳米材料。制备过程是先将弹性基体与导电填料共混，制得母料；然后利用所得的共混物母料制成导电复合材料薄膜；最后将所得导电复合材料薄膜切成条带状、再绞捻成线形，制得可拉伸导电线缆。导电复合材料线缆可应用于柔性、可拉伸电子器件的导电连接，具有质轻、成本低廉等优势以及高电导率、拉伸应变下高电导稳定性等良好的综合使用性能，制备的过程简单、无污染。

Description

一种可拉伸导电线缆及其制备方法
技术领域
本发明涉及可拉伸电子学领域，具体是指柔性、可拉伸导电复合材料的制备方案以及该类复合材料在柔性电子器件中的应用。
背景技术
当前，随着信息技术和智能技术的快速发展，柔性、可穿戴的传感器、驱动器、显示器等电子产品已经成为电子器件领域的一个研发热点。柔性电子器件的首要要求是集成电路在拉伸、弯曲、扭转等形变下能够正常工作。因此，开发可耐受任意机械形变的导电材料、进而设计柔性电路，是开发和制备柔性电子器件的重要基础。
在传统的电子器件中，主要功能部件由硅基半导体材料构筑而成，并采用金属材料如金、铜等互连，构成集成电路。作为导电互连材料的金、银、铜等虽然具有优异的导电性，但是金属材料密度大、易疲劳，无法满足柔性电子器件可弯曲、可拉伸、质量轻的需求。为了获得柔性的、可拉伸的导电互连材料，目前主要有两种方法：一种方法是在弹性体表面构筑一层具有特殊结构的导电层，这种“表面覆盖”的方法可以使导电层在弹性体表面形成褶皱，从而在拉伸过程中保持较稳定的电导。但是由于附着导电层较薄，通过这种方法制得的可拉伸导电材料的电阻通常较大，而且受导电层材料本身力学性能的限制，材料能耐受最大应变通常小于20％。另一种方法是将导电填料和弹性基体通过特定的方式复合，获得柔性、可导电的复合材料。这种方法简单有效，通常可以获得具有较高电导率和较好可拉伸性的材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于导电复合材料的柔性、可拉伸导线及其制备方法，该导线具有质轻、成本低廉等优势以及高电导率、拉伸应变下高电导稳定性等良好的综合使用性能，制备的过程简单、无污染，符合材料环境友好的发展趋势。
2.可拉伸导电线缆的制备过程可分为三步，具体如附图1所示。首先将弹性基体与导电填料通过溶剂辅助分散的方式混合均匀、制成母料，再将母料通过热压模塑或流延法制成厚度为10-200微米的薄膜，最后将薄膜裁切为条带状、取一条或几条绞捻成线。导电填料的形貌、含量、分散状态对所得复合材料的电学性能、力学性能有着重要影响，为了获得高电导率、高断裂伸长率的复合材料，同时为了降低填料用量、节省材料成本，应优选具有高纵横比的金属纳米材料与碳纳米材料共同填充弹性体，构成三元复合材料。另外，将复合材料薄膜绞捻成线，使复合材料产生一定的预应变，对于提高所得导电线缆在拉伸、释放循环过程中的电导稳定性有着重要作用。
一种可拉伸导电复合材料线缆，其特征在于包括两个主要组成部分：弹性基体和导电填料；弹性基体主要成分为SEBS或TPU(SEBS是苯乙烯(S)-乙烯(E)/丁烯(B)-苯乙烯(S)构成的嵌段共聚物，TPU全称为热塑性聚氨酯弹性体)类热塑性弹性体及必要的添加剂如滑石粉、白油等；导电填料包括银纳米线、铜纳米线、碳纳米管、银纳米片、铜纳米片、表面包覆银的铜纳米片、石墨烯纳米片中的一种或几种混合物。
所述的导电填料形貌为一维线状或二维片状，纵横比大于5。
如上所述可拉伸导电复合材料线缆的制备方法，包括如下步骤：(1)制备母料：将弹性基体与导电填料共混，制得母料；
(2)制膜：利用所得的共混物母料制成导电复合材料薄膜；
(3)制备线缆：将所得导电复合材料薄膜切成条带状、再绞捻成线形，制得可拉伸导电线缆。
其中步骤(1)中导电填料的体积份数为5％至20％，导电填料与弹性基体共混方式为溶剂辅助混合。
步骤(2)中复合材料薄膜成型的方法为热压模塑成膜或流延成膜，所得薄膜厚度在10-200微米之间。
步骤(3)是先将复合材料薄膜裁切为宽度1至5毫米的细条，取一条或几条，固定其一端、绕轴向转动另一端，将条状薄膜绞捻成线。
该类可拉伸的柔性导线由弹性基体与导电填料复合而成。弹性基体的力学性质为复合材料优良的拉伸性能提供了支撑。另外本发明选择SEBS、TPU(弹性形变高于500％)类热塑性弹性体作为基体，这种弹性体通过物理方式构成交联网络，有别于典型的通过化学键交联的弹性体，这些弹性体可方便地通过熔融法、溶液法加工成型，材料失效后也方便回收再加工。导电填料均匀分散在弹性基体中，彼此搭接构成导电网络。填料选择兼具高本征电导率和高纵横比的一维线形或二维片状纳米材料，如银纳米线、银纳米片、铜纳米线、铜纳米片、表面包覆银的铜纳米片、碳纳米管、石墨烯等。填料高的电导率有利于获得高电导率的复合材料，而高的纵横比有利于在低填充量下实现完善的导电网络。
本发明导电复合材料线缆可应用于柔性、可拉伸电子器件的导电连接，该线缆电导率高、可耐大幅拉伸，电导率可达103S/cm，弹性应变可达500％，反复拉伸释放10000次电阻变化小于10％。该导线具有质轻、成本低廉等优势以及高电导率、拉伸应变下高电导稳定性等良好的综合使用性能，制备的过程简单、无污染，符合材料环境友好的发展趋势。
附图说明
图1为可拉伸导电线缆的制备过程图，
图2为含不同体积分数导电填料的二元复合体系以及三元复合体系的电导率示意图，
图3为可拉伸导电线缆的电阻在交替拉伸至100％应变、释放循环测试过程中的变化图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1：材料的制备
(1)按照体积百分比称取以下物料：SEBS弹性体80％、表面包覆银的铜纳米片15％、碳纳米管5％；
(2)使用N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别制备SEBS的溶液以及导电填料的分散液，将二者混合均匀后再倒入乙醇中进行絮凝，经过滤、干燥、切粒后得到导电复合材料母料；
(3)将所得复合材料母料在200℃、10MPa下热压成膜，通过使用不同的模具来控制膜厚；
(4)将所得复合材料薄膜裁切成宽度为2mm的条带，固定其一端，将另一端与电机相连使其绕轴旋转、绞捻成线。控制电机转数，使复合材料条带在其长度方向上产生20％的收缩。
实施例2：含不同体积分数导电填料的可拉伸线缆电导率测试
对于根据实施例1中所述试验方法制备得到的含不同体积分数导电填料的可拉伸导电线缆，分别测试其体积电导率，典型结果如附图2所示：下方的曲线代表导电填料只有银包铜纳米片的二元复合体系，可以看到随着填料含量的增加，可拉伸导线的电导率在逐渐增加；上方的曲线代表导电填料为银包铜纳米片和碳纳米管的三元复合体系，可以看到，当导电填料的总体积相同时，三元复合体系的电导率较二元复合体系的电导率要高。测得的可拉伸导电线缆的体积电导率可大于1000S/cm。
实施例3：可拉伸导电线缆交替拉伸、释放循环对电导率的影响测试
将按照实施例1中所述方法制得的可拉伸导电线缆单轴拉伸至100％应变，然后释放拉力使弹性的导电线缆回缩至初试长度，测试其电导率。重复10000次拉伸、释放实验，所得的循环测试对电导率的影响结果如附图3，在经受10000次拉伸、释放的循环测试后电导变化小于10％。

Claims (8)

1.一种可拉伸导电复合材料线缆，其特征在于包括两个主要组成部分：弹性基体和导电填料；弹性基体主要成分为SEBS或TPU构成的类热塑性弹性体及必要的添加剂；导电填料包括银纳米线、铜纳米线、碳纳米管、银纳米片、铜纳米片、表面包覆银的铜纳米片、石墨烯纳米片中的一种或几种混合物。
2.如权利要求1所述一种可拉伸导电复合材料线缆，其特征在于选择为弹性形变高于500％的SEBS或TPU热塑性弹性作为基体，添加剂为滑石粉、白油。
3.如权利要求1所述一种可拉伸导电复合材料线缆，其特征在于所述导电填料形貌为一维线状或二维片状，纵横比大于5。
4.如权利要求1所述一种可拉伸导电复合材料线缆，其特征在于所述的导电复合材料线缆电导率达103S/cm，弹性应变达500％，反复拉伸释放10000次电阻变化小于10％；可应用于柔性、可拉伸电子器件的导电连接。
5.根据权利要求1至4中所述的可拉伸导电复合材料线缆的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)制备母料：将弹性基体与导电填料共混，制得母料；
(2)制膜：利用所得的共混物母料制成导电复合材料薄膜；
(3)制备线缆：将所得导电复合材料薄膜切成条带状、再绞捻成线形，制得可拉伸导电线缆。
6.如权利要求5所述的可拉伸导电复合材料线缆的制备方法，其特征在于，步骤(1)中导电填料的体积份数为5％至20％，导电填料与弹性基体共混方式为溶剂辅助混合。
7.如权利要求5所述的可拉伸导电复合材料线缆的制备方法，其特征在于，步骤(2)中复合材料薄膜成型的方法为热压模塑成膜或流延成膜，所得薄膜厚度在10-200微米之间。
8.如权利要求5所述的可拉伸导电复合材料线缆的制备方法，其特征在于，步骤(3)中先将复合材料薄膜裁切为宽度1至5毫米的细条，取一条或几条，固定其一端、绕轴向转动另一端，将条状薄膜绞捻成线。
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