CN109659071B - 含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜及其制备方法 - Google Patents

含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，制备原料包括：碳纳米管、银纳米粒子、离子液体、纳米银线和聚偏二氟乙烯，其中，一维碳纳米管在苯修饰的银纳米粒子(AgNP)，离子液体(IL)和纳米银线(AgNF)之间有效地分散，并形成连续的三维互穿导电网络，所述互穿导电网络负载于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体材料中形成可拉伸的高导电柔性复合聚合物薄膜。所制备的柔性复合聚合物薄膜的电导率为：1500‑2000S/cm。本发明还提供了含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜的制备方法。

Description

含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高导电的柔性薄膜材料领域，特别涉及一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜及其制备方法。
背景技术
伴随着人工智能领域的飞速发展，弯曲显示屏、可穿戴设备、仿生电子皮肤、多功能传感器以及软体机器人等新一代电子器件对导电材料领域提出了可弯曲、可打印、可拉伸等方面的性能要求。
正是在这一背景下，研发高导电，可拉伸的柔性薄膜材料引起了广泛的研发兴趣。目前制备这类材料的常用手段是在弹性聚合物薄膜中混合一定比例的金属纳米导体或者一维碳纳米管，因为此策略兼顾了有机弹性体受拉伸可形变的特性，以及无机纳米导体的高电导性。但现实的问题是，通过简单的混合所制备的柔性复合薄膜往往在被拉伸后其导电率明显降低。这主要是由于无机纳米导体在聚合物材料里相容性低，分散性差等因素导致形成了不连续的导电网络造成的。
具体来说是，碳纳米管由于管间的范德华力很强，在聚合物薄膜中更容易发生自聚效应，无法形成即便是在拉伸状态下也能保持连续的导电通路。因此，解决碳纳米管在弹性薄膜中均匀分散是一项关键的技术难题。另一方面，从材料的性能和制作成本等角度考虑，仅添加碳纳米管来实现复合薄膜的高电导性往往是不足的。虽然进一步添加金属纳米导体可以显著提高薄膜材料的电学性能，但对复合工艺和方法提出了更高的技术要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的制备原料包括：碳纳米管、银纳米粒子、离子液体、纳米银线和聚偏二氟乙烯，其中，一维碳纳米管在苯修饰的银纳米粒子(AgNP)，离子液体(IL)和纳米银线(AgNF)之间有效地分散，并形成连续的三维互穿导电网络，所述互穿导电网络负载于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体材料中形成了可拉伸的高导电柔性复合聚合物薄膜。
其中，成型复合聚合物薄膜采用热退火处理，将三维互穿导电网络负载于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体材料中制备得到可拉伸的高导电柔性复合聚合物薄膜。所制备的柔性复合聚合物薄膜的电导率为：1500-2000S/cm。
其中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管(MWCNT)；所述的碳纳米管为平均直径 10-15nm，长度10-15μm；
所述纳米银线的平均直径为8-12nm，长度为8-12μm；
所述的银纳米粒子的平均大小为3-5nm；
所述离子液体为咪唑类离子液体，咪唑类离子液体的阳离子为1-乙基-3甲基咪唑、1-丁基-3甲基咪唑、1-己基-3甲基咪唑的任意一种；阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸盐根、双三氟甲磺酸酰亚胺根的任意一种。
本发明还提供了一种含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜的制备方法，其包括以下步骤：
步骤(1)在苯甲硫醇的乙醇溶液中加入硝酸银，加入摩尔比为：苯甲硫醇∶硝酸银＝1-1.5∶1，在室温下充分搅拌反应48小时后，制备得到苯修饰的银纳米粒子乙醇分散液；
步骤(2)在所述银纳米粒子分散液中，加入多壁碳纳米管粉末，加入质量比为：银纳米粒子(AgNP)∶多壁碳纳米管(MWCNT)＝1∶2-3；在室温下600W超声混合2 小时后，用滤膜过滤，乙醇洗涤，收集滤饼，干燥后得到银纳米粒子修饰的碳纳米管混合物(AgNP-MWCNT)；
步骤(3)在所述碳纳米管混合物中，加入咪唑类离子液体，加入质量比为：碳纳米管混合物[AgNP-MWCNT]∶离子液体＝1∶2-3；在室温下充分研磨混合1小时后，得到一种黑色液态凝胶混合物(AgNP-MWCNT/IL)；
步骤(4)在上述步骤(3)制备得到的混合物中，分别加入纳米银线和2.6wt％聚偏二氟乙烯的4-甲基-2-戊酮溶液，加入质量比为：碳纳米管混合物 [AgNP-MWCNT/IL]∶纳米银线(AgNF)∶聚偏氟乙烯(PVDF)＝1∶1.5-2.5∶20-25，在室温下600W超声混合1小时后，得到一种黑色液态“墨水”；
步骤(5)将上述步骤(4)制备得到的黑色墨水，均匀涂抹在玻璃片基板上，室温干燥后放置于150-160℃真空烘箱中烘焙12小时，冷却至室温后，从玻璃片上剥离，得到一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜。
与现有技术相比，本发明含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜具有以下有益效果：
(1)柔性复合聚合物薄膜制备工艺简单，可行性高，且所制备得到的柔性膜表面均匀、厚度薄、可拉升性能好等特点。
(2)得益于阳离子液体的正电荷与π共轭，π-π共轭等非共价作用，碳纳米管不仅可以很好地与纳米银共混，还能够均匀分散在聚合物基底中。同时，碳纳米管也赋予了复合薄膜高的拉伸强度，在受到应力时，也能很好的稳定所形成的导电网络。
(3)所制备的柔性复合聚合物薄膜在无拉伸形变时电导率高达2000S/cm以上，即便受到拉伸形变到1.3倍时，电导率仍能保持在1500S/cm以上。
(4)所制备的高电导柔性复合聚合物薄膜具有优异的抗疲劳性能，在经受到数千次拉伸后，薄膜的电导率仍能保持在1500S/cm以上。
附图说明
图1是一张含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜的照片。
图2是一张银纳米粒子负载在多壁碳纳米管表面的高分辨电子透射显微镜照片。
图3是实施例1中所制备得到的复合薄膜在拉伸状态下的导电性能以及抗疲劳性能。
具体实施方式
本发明提供一种含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的制备原料包括：碳纳米管、银纳米粒子、离子液体、纳米银线和聚偏二氟乙烯，其中，一维碳纳米管在苯修饰的银纳米粒子(AgNP)，离子液体(IL)和纳米银线(AgNF) 之间有效地分散，并形成连续的三维互穿导电网络，通过热退火处理，所述互穿导电网络负载于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体材料中形成可拉伸的高导电柔性复合聚合物薄膜。所制备的柔性复合聚合物薄膜的电导率为：1500-2000S/cm。
其中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管(MWCNT)；所述的碳纳米管为平均直径10-15nm，优选平均直径为12nm；长度10-15μm，优选长度为13μm。所述纳米银线的平均直径为8-12nm，优选平均直径为10nm，长度为8-12μm；优选长度为10μm。所述的银纳米粒子的平均大小为3-5nm，优选为4nm。所述离子液体为咪唑类离子液体，咪唑类离子液体的阳离子为1-乙基-3甲基咪唑、1-丁基-3甲基咪唑、1-己基-3 甲基咪唑的任意一种；阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸盐根、双三氟甲磺酸酰亚胺根的任意一种。
实施例1
(1)制备银纳米粒子/碳纳米管混合物：在苯甲硫醇的乙醇溶液中加入硝酸银，加入摩尔比为：苯甲硫醇∶硝酸银＝1∶1。在室温下充分搅拌反应48小时后，再加入多壁碳纳米管粉末，加入质量比为：Ag∶MWCNT＝1∶2。在室温下600W超声混合 2小时后，用0.2μm滤膜过滤，乙醇洗涤，收集滤饼，干燥后得到银纳米粒子修饰的碳纳米管混合物(AgNP-MWCNT)。
(2)制备银纳米粒子/碳纳米管/离子液体凝胶：在上述步骤(1)制备得到的银纳米粒子/碳纳米管混合物中，加入咪唑类离子液体，加入质量比为：[AgNP-MWCNT]∶离子液体＝1∶2。在室温下充分研磨混合1小时后，得到一种黑色液态凝胶 (AgNP-MWCNT/IL)。
(3)制备高导电柔性复合聚合物薄膜：在上述步骤(2)制备得到的黑色凝胶中，分别加入纳米银线和2.6wt％聚偏二氟乙烯的4-甲基-2-戊酮溶液，加入质量比为： [AgNP-MWCNT/IL]∶AgNF∶PVDF＝1∶2.5∶20。在室温下600W超声混合1小时后，得到一种黑色液体。再将制备的液体均匀涂抹在玻璃片基板上，室温干燥后放置于 160℃真空烘箱中烘焙12小时，冷却至室温后，从玻璃片上剥离，得到一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜。
制备的柔性复合聚合物薄膜在无拉伸形变时电导率高达2650S/cm，受到拉伸形变到1.3倍时，电导率高达1820S/cm。
实施例2
(1)制备银纳米粒子/碳纳米管混合物：在苯甲硫醇的乙醇溶液中加入硝酸银，加入摩尔比为：苯甲硫醇∶硝酸银＝1∶1。在室温下充分搅拌反应48小时后，再加入多壁碳纳米管粉末，加入质量比为：Ag∶MWCNT＝1∶3。在室温下600W超声混合 2小时后，用0.2μm滤膜过滤，乙醇洗涤，收集滤饼，干燥后得到银纳米粒子修饰的碳纳米管混合物(AgNP-MWCNT)。
(2)制备银纳米粒子/碳纳米管/离子液体凝胶：在上述步骤(1)制备得到的银纳米粒子/碳纳米管混合物中，加入咪唑类离子液体，加入质量比为：[AgNP-MWCNT]∶离子液体＝1∶3。在室温下充分研磨混合1小时后，得到一种黑色液态凝胶 (AgNP-MWCNT/IL)。
(3)制备高导电柔性复合聚合物薄膜：在上述步骤(2)制备得到的黑色凝胶中，分别加入纳米银线和2.6wt％聚偏二氟乙烯的4-甲基-2-戊酮溶液，加入质量比为： [AgNP-MWCNT/IL]∶AgNF∶PVDF＝1∶2∶25。在室温下600W超声混合1小时后，得到一种黑色液体。再将制备的液体均匀涂抹在玻璃片基板上，室温干燥后放置于155℃真空烘箱中烘焙12小时，冷却至室温后，从玻璃片上剥离，得到一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜。
制备的柔性复合聚合物薄膜在无拉伸形变时电导率高达2440S/cm，受到拉伸形变到1.3倍时，电导率高达1560S/cm。
实施例3
(1)制备银纳米粒子/碳纳米管混合物：在苯甲硫醇的乙醇溶液中加入硝酸银，加入摩尔比为：苯甲硫醇∶硝酸银＝1∶1.5。在室温下充分搅拌反应48小时后，再加入多壁碳纳米管粉末，加入质量比为：Ag∶MWCNT＝1∶2。在室温下600W超声混合2小时后，用0.2μm滤膜过滤，乙醇洗涤，收集滤饼，干燥后得到银纳米粒子修饰的碳纳米管混合物(AgNP-MWCNT)。
(2)制备银纳米粒子/碳纳米管/离子液体凝胶：在上述步骤(1)制备得到的银纳米粒子/碳纳米管混合物中，加入咪唑类离子液体，加入质量比为：[AgNP-MWCNT]∶离子液体＝1∶2。在室温下充分研磨混合1小时后，得到一种黑色液态凝胶 (AgNP-MWCNT/IL)。
(3)制备高导电柔性复合聚合物薄膜：在上述步骤(2)制备得到的黑色凝胶中，分别加入纳米银线和2.6wt％聚偏二氟乙烯的4-甲基-2-戊酮溶液，加入质量比为： [AgNP-MWCNT/IL]∶AgNF∶PVDF＝1∶1.5∶20。在室温下600W超声混合1小时后，得到一种黑色液体。再将制备的液体均匀涂抹在玻璃片基板上，室温干燥后放置于 150℃真空烘箱中烘焙12小时，冷却至室温后，从玻璃片上剥离，得到一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜。
制备的柔性复合聚合物薄膜在无拉伸形变时电导率高达2260S/cm，受到拉伸形变到1.3倍时，电导率高达1620S/cm。
实施例4
(1)制备银纳米粒子/碳纳米管混合物：在苯甲硫醇的乙醇溶液中加入硝酸银，加入摩尔比为：苯甲硫醇∶硝酸银＝1∶1.5。在室温下充分搅拌反应48小时后，再加入多壁碳纳米管粉末，加入质量比为：Ag∶MWCNT＝1∶3。在室温下600W超声混合2小时后，用0.2μm滤膜过滤，乙醇洗涤，收集滤饼，干燥后得到银纳米粒子修饰的碳纳米管混合物(AgNP-MWCNT)。
(2)制备银纳米粒子/碳纳米管/离子液体凝胶：在上述步骤(1)制备得到的银纳米粒子/碳纳米管混合物中，加入咪唑类离子液体，加入质量比为：[AgNP-MWCNT]∶离子液体＝1∶3。在室温下充分研磨混合1小时后，得到一种黑色液态凝胶 (AgNP-MWCNT/IL)。
(3)制备高导电柔性复合聚合物薄膜：在上述步骤(2)制备得到的黑色凝胶中，分别加入纳米银线和2.6wt％聚偏二氟乙烯的4-甲基-2-戊酮溶液，加入质量比为： [AgNP-MWCNT/IL]∶AgNF∶PVDF＝1∶2∶25。在室温下600W超声混合1小时后，得到一种黑色液体。再将制备的液体均匀涂抹在玻璃片基板上，室温干燥后放置于160℃真空烘箱中烘焙12小时，冷却至室温后，从玻璃片上剥离，得到一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜。
制备的柔性复合聚合物薄膜在无拉伸形变时电导率高达2510S/cm，受到拉伸形变到1.3倍时，电导率高达1770S/cm。

Claims (8)

1.一种含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：所述聚合物薄膜的制备原料包括：碳纳米管、银纳米粒子、离子液体、纳米银线和聚偏二氟乙烯，其中，一维碳纳米管在苯修饰的银纳米粒子(AgNP)，离子液体(IL)和纳米银线(AgNF)之间有效地分散，并形成连续的三维互穿导电网络，所述互穿导电网络负载于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体材料中形成可拉伸的高导电柔性复合聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管(MWCNT)；所述的碳纳米管为平均直径10-15nm，长度10-15μm；
3.根据权利要求1所述的含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：所述纳米银线的平均直径为8-12nm，长度为8-12μm；
4.根据权利要求1所述的含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：所述的银纳米粒子的平均大小为3-5nm；
5.根据权利要求1所述的含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：所述离子液体为咪唑类离子液体，咪唑类离子液体的阳离子为1-乙基-3甲基咪唑、1-丁基-3甲基咪唑、1-己基-3甲基咪唑的任意一种；阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸盐根、双三氟甲磺酸酰亚胺根的任意一种。
6.根据权利要求1所述的含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：形成所述三维互穿导电网络后，通过热退火处理，三维互穿导电网络负载于聚偏二氟乙烯(PVDF)基体材料中形成可拉伸的高导电柔性复合聚合物薄膜。
7.根据权利要求1所述的含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜，其特征在于：所制备的柔性复合聚合物薄膜的电导率为：1500-2000S/cm。
8.一种含碳纳米管和纳米银的柔性复合聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)在苯甲硫醇的乙醇溶液中加入硝酸银，加入摩尔比为：苯甲硫醇∶硝酸银＝1-1.5∶1，在室温下充分搅拌反应48小时后，制备得到苯修饰的银纳米粒子乙醇分散液；
步骤(2)在所述银纳米粒子分散液中，加入多壁碳纳米管粉末，加入质量比为：银纳米粒子(AgNP)∶多壁碳纳米管(MWCNT)＝1∶2-3；在室温下600W超声混合2小时后，用滤膜过滤，乙醇洗涤，收集滤饼，干燥后得到银纳米粒子修饰的碳纳米管混合物(AgNP-MWCNT)；
步骤(3)在所述碳纳米管混合物中，加入咪唑类离子液体，加入质量比为：碳纳米管混合物[AgNP-MWCNT]∶离子液体＝1∶2-3；在室温下充分研磨混合1小时后，得到一种黑色液态凝胶(AgNP-MWCNT/IL)；
步骤(4)在上述步骤(3)制备得到的混合物中，分别加入纳米银线和2.6wt％聚偏二氟乙烯的4-甲基-2-戊酮溶液，加入质量比为：碳纳米管混合物[AgNP-MWCNT/IL]∶纳米银线(AgNF)∶聚偏氟乙烯(PVDF)＝1∶1.5-2.5∶20-25，在室温下600W超声混合1小时后，得到一种黑色液态“墨水”；
步骤(5)将上述步骤(4)制备得到的黑色墨水，均匀涂抹在玻璃片基板上，室温干燥后放置于150-160℃真空烘箱中烘焙12小时，冷却至室温后，从玻璃片上剥离，得到一种含碳纳米管和纳米银的高导电柔性复合聚合物薄膜。
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