CN106450376A - 低电阻率导电碳薄膜及其制备方法 - Google Patents

低电阻率导电碳薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低电阻率导电碳薄膜及其制备方法。所述低电阻率导电碳薄膜按照质量百分比包括以下组分：导电碳50～95％；成膜剂4.5～59％；其他添加剂0.5～1.4％；其中，按照导电碳质量100％计，包括以下组分：碳纳米管25～100％；其他导电碳0～75％，且所述其他导电碳含量不取0值。本发明获得的导电碳薄膜表面光滑均匀，可卷曲，具有良好的柔韧性；更重要的是，导电碳薄膜的电阻率为20mΩ·cm～50Ω·cm，抗拉强度达到10MPa及以上，表现出优异的导电性能和机械强度。

Description

低电阻率导电碳薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于导电碳薄膜技术领域，具体涉及一种低电阻率导电碳薄膜及其制备方法。
背景技术
导电碳薄膜作为质子燃料电池的重要组成部分，其微观形态形成的孔隙是燃料电池中重要的电子通道，同时也是气体及排水的通道。因此，需要导电碳薄膜具有良好的机械强度和优异的导电性能。
目前导电碳薄膜主要采用碳纤维加粘结剂制成膜，并通过浸泽固化剂碳化的制备方法。该方法需要通过浸泽提高强度，但是采用浸泽方法获得的碳薄膜的均匀性得不到保障。
此外，还有采用与聚合物混合成熔融液后制备薄膜的方法成膜，但是此方法获得的碳薄膜碳含量低，电阻率在30Ω·cm～3000Ω·cm之间，甚至更大。
可见，上述两种方法均无法获得综合性能较好的导电碳薄膜。
发明内容
针对目前导电碳薄膜电阻率大且制备方法均匀性不佳等问题，本发明实施例提供了一种低电阻率导电碳薄膜及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下：
一种低电阻率导电碳薄膜，按照质量百分比包括以下组分：
导电碳 50～95％；
成膜剂 4.5～59％；
其他添加剂 0.5～1.4％；
其中，按照导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 25～100％；
其他导电碳 0～75％，且所述其他导电碳含量不取0值。
以及，一种如上所述的低电阻率导电碳薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：
按照如上所述配方比例称取导电碳、成膜剂、其他添加剂；
采用修饰剂对所述导电碳进行表面修饰处理，获得改性的导电碳；
采用分散溶剂对所述改性的导电碳进行分散处理，获得导电碳分散液；
向所述导电碳分散液中加入所述成膜剂、其他添加剂，混合处理，获得粘度为100～1500mPa·s的浆料；
将所述浆料涂布或流延于基材上，获得湿膜；
将所述湿膜与基材一起进行干燥处理，获得干燥的导电薄膜；
对所述导电薄膜进行浸润并起膜、风干处理。
上述实施例中的低电阻率导电碳薄膜，通过采用碳纳米管作为基本骨架，而其他导电碳不仅起导电作用还起填充作用，并结合成膜剂和其他添加剂，获得的导电碳薄膜表面光滑均匀，可卷曲，柔韧性良好；更重要的是，导电碳薄膜的电阻率为20mΩ·cm～50Ω·cm，抗拉强度达到10MPa及以上，优异的导电性能和机械强度，可用于微电子行业、航空航天、军工业及纺织业。如白板感压导电膜、电池及电容等。
上述实施例提供的低电阻率导电碳薄膜的制备方法，工艺简单、成本低廉，而且制备的导电碳薄膜表面光滑均匀，可卷曲，柔韧性良好，更重要的是，制备的导电碳薄膜的电阻率为20mΩ·cm～50Ω·cm，抗拉强度达到10MPa及以上。本实施例制备方法为电子元器件、光电产品、电池及电容薄膜材料的制备提供一种良好的借鉴方案。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的低电阻率导电碳薄膜的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实例提供了一种低电阻率导电碳薄膜，所述低电阻率导电碳薄膜按照质量百分比包括以下组分：
导电碳 50～95％；
成膜剂 4.5～59％；
其他添加剂 0.5～1.4％；
其中，按照导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 25～100％；
其他导电碳 0～75％，且所述其他导电碳含量不取0值。
优选地，其他导电碳为石墨烯、膨胀石墨、Super P、KS-6中的至少一种，但不限于所列举的这几种导电碳。其他导电碳填充在碳纳米管内部起到填充作用，避免碳纳米管的破碎，同时还起到导电的作用，从而实现导电碳薄膜的电阻率达到20mΩ·cm～50Ω·cm；抗拉伸强度达到10MPa及以上。
作为一个优选的实施例，上述低电阻率导电碳薄膜按照质量百分比包括以下组分：
导电碳 75～95％；
成膜剂 4.5～25％；
其他添加剂 0.6～1.0％；
其中，按照导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 25～100％；
其他导电碳 0～75％，且所述其他导电碳含量不取0值。在该优选的配方比例下，获得的导电碳薄膜的电阻率低于25Ω·cm。
更进一步优选地，上述任何一个导电碳薄膜的配方中，以所述导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 60～95％；
其他导电碳 5～40％。
由于碳纳米管含量增大，其他导电碳含量相对减少，各碳纳米管实现充分桥接导电的同时，其他碳纳米管可以充分的填充在碳纳米管内部，最终实现导电碳薄膜的电阻率低于80mΩ·cm，而且抗拉伸强度达到10MPa及以上。
如当碳含量为90％时，且碳纳米管与Super P的比例在4:1时其电阻率低达30mΩ·cm，致密性良好；当碳含量为90％时，且碳纳米管与KS-6比例为2:1时其电阻率可达到60mΩ·cm。
优选地，成膜剂为蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、丁二烯树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、硝酸纤维成膜剂、聚乙烯醇、丙烯腈多元共聚物、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯(PVDF)中的至少一种。当成膜剂为混合成分时，如按照质量比例为丙烯酸树脂：聚偏氟乙烯＝1:1时，成膜效果优于单一成膜剂的效果，可以有效避免单一成膜剂塑性较差的问题，同时还提高导电碳薄膜的力学性能，抗拉伸强度达到12MPa。
优选地，其他添加剂为增韧剂、塑化剂、流平剂中的至少一种。通过加入其他添加剂辅助成膜，获得的导电碳薄膜表面光滑均匀。
进一步优选地，增韧剂为增韧剂为丁苯橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛、聚醚砜、聚苯醚酮、聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸酯橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、苯乙烯系嵌段共聚物(SBS)、(SEBS)中的至少一种。当增韧剂为质量比例为丁苯橡胶：ABS＝1：2时，增韧可达到较佳效果，可进行卷曲而不断裂。
优选地，塑化剂为邻苯二甲酸酯类塑化剂。具体为邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二正辛酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二环己酯中的任一种。
优选地，流平剂为聚二甲基硅氧烷、聚醚聚酯改性有机硅氧烷、烷基改性有机硅氧烷、丙烯酸酯类流平剂中的任一种。
上述实施例提供的低电阻率导电碳薄膜，通过采用碳纳米管作为基本骨架，以其他导电碳作为填充碳，其他导电碳填充作用还增强了导电性能，避免出现导电断路，再结合成膜剂和其他添加剂，最终获得的导电碳薄膜表面光滑均匀，可卷曲，呈现出良好的柔韧性；更重要的是，导电碳薄膜的电阻率为20mΩ·cm～50Ω·cm，抗拉强度达到10MPa及以上。由于本实施例的导电碳薄膜具有优异的导电性能和机械强度，可用于微电子行业、航空航天、军工业及纺织业；具体如白板感压导电膜、光电产品、电子元器件、光电一体化产品、电池及电容等。
相应地，本发明实施例还提供了该低电阻率导电碳薄膜的制备方法。
在一实施例中，上述低电阻率导电碳薄膜的制备方法至少包括以下步骤：
按照如上所述配方比例称取导电碳、成膜剂、其他添加剂；
采用修饰剂对所述导电碳进行表面修饰处理，获得改性的导电碳；
采用分散溶剂对所述改性的导电碳进行分散处理，获得导电碳分散液；
向所述导电碳分散液中加入所述成膜剂、其他添加剂，混合处理，获得粘度为100～1500mPa·s的浆料；
将所述浆料涂布或流延于基材上，获得湿膜；
将所述湿膜与基材一起进行干燥处理，获得干燥的导电薄膜；
对所述导电薄膜进行浸润并起膜、风干处理。
其中，在一优选实施例中，以导电碳质量100％计，称取的导电碳中，碳纳米管60～95％；其他导电碳5～40％。这个配比下获得的导电碳薄膜电阻率低于80mΩ·cm，而且抗拉伸强度达到10MPa及以上。
优选地，所用的修饰剂为表面活性剂或者硫酸、硝酸、磷酸。通过表面活性剂如十二万基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、曲拉通-100、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种，对导电碳进行表面修饰，引入羧羟基等官能团，提高其分散性，避免导电碳的团聚。或者硫酸、硝酸、磷酸中的任一种对导电碳表面进行酸化，使其表面附带官能团，同样提高其分散性能。
当以表面活性剂进行修饰时，按照质量比为表面活性剂:导电碳:溶剂＝(0.5～10):(1～50):(40～98.5)；而当采用硫酸、硝酸、磷酸中的任一种进行酸化官能团时，按照质量比为酸:导电碳＝100:5～100:20，此时导电碳分散性较好，不易沉降。
优选地，分散处理的方式为球磨、研磨、砂磨、超声波或者分散机进行分散。并且在分散处理中，需要添加分散溶剂。
优选的分散溶剂为无水乙醇、去离子水、二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等中的任一种。最终制备的分散液中导电碳含量≤25％时，导电碳悬浮液分散稳定性良好，且粘度在100～1500mPa·s，适合涂布。
优选地，加入的成膜剂为蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、丁二烯树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、硝酸纤维成膜剂、聚乙烯醇、丙烯腈多元共聚物、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯(PVDF)中的至少一种。当成膜剂为混合成膜剂时，如按照质量比例为丙烯酸树脂：聚偏氟乙烯＝1:1时，成膜效果优于单一成膜剂的效果，可以有效避免单一成膜剂塑性较差的问题，同时还提高导电碳薄膜的力学性能，抗拉伸强度达到12MPa。
优选地，其他添加剂包括增韧剂、塑化剂、流平剂。通过加入其他添加剂辅助成膜，获得的导电碳薄膜表面光滑均匀。
进一步优选地，增韧剂为增韧剂为丁苯橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛、聚醚砜、聚苯醚酮、聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸酯橡胶、ABS、SBS、SEBS中的至少一种。
当增韧剂为质量比例为丁苯橡胶：ABS＝1：2时，增韧可达到较佳效果，此时所制备导电薄膜抗拉强度可达15MPa以上，抗折性能良好。
优选地，在将浆料进行涂布或流延成膜处理时，是将浆料涂布或流延于洁净干燥的基材表面。具体来说需要采用涂布机进行涂布或者流延设备进行流延。通过涂布或流延的方式，避免了获得的导电薄膜表面不均匀、不光滑的现象。
可选用的基材为铝箔、铜箔、特氟龙布等。
优选地，涂布或流延的湿膜需要在60～150℃的温度下干燥处理，使湿膜烘干成干膜。
进一步地，起膜处理是将干膜置于酒精或去离子水中浸润，待完全浸润后，采用起膜工具进行起膜，即可获得本发明实施例的低电阻率导电薄膜材料。以酒精或去离子水进行起膜，以改变膜物质组成的相变结构。具体地，本发明实施例这种起膜方式浸润干膜，可以使干膜受冷，致使成膜剂固化后的相结构引起相变改变为低温下的相结构，确保导电薄膜的稳定性良好。
为了获得更好的导电碳薄膜材料，起膜后，将基材和导电碳薄膜在25℃～60℃之间进行风干处理即获得干燥的导电碳薄膜。低温风干可保持导电碳薄膜的形态不变形。
上述实施例提供的低电阻率导电碳薄膜的制备方法，工艺简单、成本低廉，而且制备的导电碳薄膜表面光滑均匀，可卷曲，柔韧性良好。更重要的是，制备的导电碳薄膜的电阻率为20mΩ·cm～50Ω·cm，抗拉强度达到10MPa及以上。
本实施例制备方法为电子元器件、光电产品、电池及电容薄膜材料的制备提供一种良好的借鉴方案。
为了更好的说明本发明实施例，下面进一步通过具体实施例做进一步的说明。
实施例1
一种低电阻率导电碳薄膜，按照质量百分比，包括以下组分：
所述低电阻率导电碳薄膜的制备方法如下：
首先称取60.0g的碳纳米管导电碳和2.5g KS-6；
将所述混合导电碳添加到300mL混合酸中处理6～24h，所述混合酸按照体积比为硫酸：硝酸＝1：2，然后用去离子水抽滤清洗干净，直至pH＝7；
将处理后的混合导电碳在3000r/min的分散机中分散成质量分数为10％的水溶液；
向上述水溶液中加入总质量为5g的聚乙烯醇(PVA)与丙烯腈多元共聚物混合物，以及加入0.5g丁苯橡胶后在室温条件下磁力搅拌8h制备成浆料悬浮液，所述浆料悬浮液的粘度为600mPa·s；
将上述浆料悬浮液在丝杆涂布机上涂布成膜，衬底为剥离，随后在80℃的烘箱中烘干成膜；
将干燥成膜后的样品取出，在薄膜表面喷涂酒精使其浸润充分，随后取下样品薄膜在30℃下风干，即制得碳纳米管薄膜。
经检测，实施例1制备的导电碳薄膜电阻率为40mΩ·cm，抗拉强度为12MPa，可卷曲，呈现出良好的柔韧性.。并对获得的导电碳薄膜进行SEM扫描测试，获得如附图1所示的SEM图。从图1可知，导电碳薄膜中碳纳米管形成骨架起支撑作用，而KS-6则填充于碳纳米管内部，图中由于KS-6含量较少，而且表面为成膜剂、增韧剂所覆盖，故未能清晰的观察到KS-6的分布情况，由此构成了实施例1的导电碳薄膜。
实施例2
一种低电阻率导电碳薄膜，按照质量百分比，包括以下组分：
所述低电阻率导电碳薄膜的制备方法如下：
首先称取75g的碳纳米管，按照碳纳米管与Super P的质量比为5：1的比例称取Super P，将两者混合后，形成混合导电碳；
称取0.7g聚乙烯吡咯烷酮分散于500g二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，形成分散液；
将所述混合导电碳添加上述分散液中进行混合处理；
将处理后的混合导电碳在2000r/min的分散机中分散处理4h形成悬浮液；
向上述悬浮液中加入总质量为9.0g的聚偏氟乙烯(PVDF)与聚酰亚胺混合物，所述混合物中，PVDF与聚酰亚胺的质量比为10:1；将加入0.3g丁苯橡胶，然后在室温条件下磁力搅拌6h制备成浆料悬浮液，所述浆料悬浮液的粘度为800mPa·s；
将上述浆料悬浮液在丝杆涂布机上涂布成膜，衬底为剥离，随后在110℃的烘箱中烘干成膜；
将干燥成膜后的样品取出，在薄膜表面喷涂酒精使其浸润充分，随后取下样品薄膜在60℃下风干，即制得碳纳米管薄膜。
经检测，实施例2制备的导电碳薄膜其电阻率为60mΩ·cm，且抗拉强度为18.0MPa，可卷曲，呈现出良好的柔韧性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低电阻率导电碳薄膜，按照质量百分比包括以下组分：
导电碳 50～95％；
成膜剂 4.5～59％；
其他添加剂 0.5～1.4％；
其中，按照导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 25～100％；
其他导电碳 0～75％，且所述其他导电碳含量不取0值。
2.如权利要求1所述的低电阻率导电碳薄膜，其特征在于：按照质量百分比包括以下组分：
导电碳 75～95％；
成膜剂 4.5～25％；
其他添加剂 0.6～1.0％；
其中，按照导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 25～100％；
其他导电碳 0～75％，且所述其他导电碳含量不取0值。
3.如权利要求1～2任一所述的低电阻率导电碳薄膜，其特征在于：以所述导电碳质量100％计，包括以下组分：
碳纳米管 60～95％；
其他导电碳 5～40％。
4.如权利要求1～2任一所述的低电阻率导电碳薄膜，其特征在于：所述其他导电碳为石墨烯、膨胀石墨、Super P、KS-6中的至少一种。
5.如权利要求1～2任一所述的低电阻率导电碳薄膜，其特征在于：所述其他添加剂为增韧剂、塑化剂、流平剂中的至少一种。
6.如权利要求1～2任一所述的低电阻率导电碳薄膜，其特征在于：所述成膜剂为蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、丁二烯树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、硝酸纤维成膜剂、聚乙烯醇、丙烯腈多元共聚物、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯中的至少一种。
7.如权利要求5所述的低电阻率导电碳薄膜，其特征在于：所述增韧剂为丁苯橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛、聚醚砜、聚苯醚酮、聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸酯橡胶、ABS、SBS、SEBS中的至少一种。
8.如权利要求1～7任一所述的低电阻率导电碳薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：
按照权利要求1～7任一所述配方比例称取导电碳、成膜剂、其他添加剂；
采用修饰剂对所述导电碳进行表面修饰处理，获得改性的碳导电碳；
采用分散溶剂对所述改性的导电碳进行分散处理，获得导电碳分散液；
向所述导电碳分散液中加入所述成膜剂、其他添加剂，混合处理，获得粘度为100～1500mPa·s的浆料；
将所述浆料涂布或流延于基材上，获得湿膜；
将所述湿膜与基材一起进行干燥处理，获得干燥的导电薄膜；
对所述导电薄膜进行浸润并起膜、风干处理。
9.如权利要求8所述的低电阻率导电碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述修饰剂为表面活性剂或硫酸、硝酸、磷酸中的任一种；和/或按照质量比为表面活性剂:导电碳:溶剂＝(0.5～10):(1～50):(40～98.5)；和/或按照质量比为所述酸:所述导电碳＝100:5～100:20。
10.如权利要求8所述的低电阻率导电碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述干燥处理的温度为60～150℃；和/或所述分散溶剂为无水乙醇、去离子水、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
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