CN109970895B - 一种导电材料及其制备方法以及导电布 - Google Patents

一种导电材料及其制备方法以及导电布 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种导电材料及其制备方法以及导电布,涉及导电材料技术领域。所述导电材料包括基体和分散在所述基体内的导电填料,所述基体为聚甲基丙烯酸乙酯,所述导电填料为碳纳米管。所述导电材料的制备方法包括以下步骤:将碳纳米管均匀分散到四氢呋喃中,得碳纳米管四氢呋喃溶液;向所述碳纳米管四氢呋喃溶液中加入甲基丙烯酸乙酯,搅拌均匀,得混合溶液;将氯化锂和1,1‑二苯基己基锂加入到所述混合溶液中,反应得聚合物混合液;将所述聚合物混合液过滤,取聚合物固体并干燥,得导电材料。本发明旨在提供一种导电性能好且材质柔软的柔性导电材料。

Description

一种导电材料及其制备方法以及导电布
技术领域
本发明涉及导电材料技术领域,特别涉及一种导电材料及其制备方法以及导电布。
背景技术
为满足人们对于日常生活中电子器件功能化的新需求,柔性可穿戴电子织物应运而生。柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高,且不够柔软。找到一种导电性能好且材质柔软的导电材料,是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种导电材料及其制备方法以及导电布,旨在提供一种导电性能好且材质柔软的柔性导电材料。
为实现上述目的,本发明提出一种导电材料,包括基体和分散在所述基体内的导电填料,所述基体为聚甲基丙烯酸乙酯,所述导电填料为碳纳米管。
可选地,包括以下重量份数的原料:100~200份碳纳米管、1500~2000份四氢呋喃、2~3份1,1-二苯基己基锂、2~3份氯化锂和800~1000份甲基丙烯酸乙酯。
可选地,所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、羟基碳纳米管或羧基碳纳米管。
可选地,所述碳纳米管的长度为80~100nm。
此外,本发明还提出了一种导电材料的制备方法,用于制备上述导电材料,所述导电材料的制备方法包括以下步骤:
将碳纳米管均匀分散到四氢呋喃中,得碳纳米管四氢呋喃溶液;
向所述碳纳米管四氢呋喃溶液中加入甲基丙烯酸乙酯,搅拌均匀,得混合溶液;
将氯化锂和1,1-二苯基己基锂加入到所述混合溶液中,反应得聚合物混合液;
将所述聚合物混合液过滤,取聚合物固体并干燥,得导电材料。
可选地,将碳纳米管均匀分散到四氢呋喃中,得碳纳米管四氢呋喃溶液的步骤包括:在惰性气氛中,将碳纳米管加入到四氢呋喃中,超声35~40min,得碳纳米管四氢呋喃溶液,其中,所述超声频率为12~15kHz。
可选地,向所述碳纳米管四氢呋喃溶液中加入甲基丙烯酸乙酯,搅拌均匀,得混合溶液的步骤中,所述搅拌时,搅拌速度为200~300r/min,搅拌时间为20~40min。
可选地,将氯化锂和1,1-二苯基己基锂加入到所述混合溶液中,反应得聚合液的步骤中,所述反应时,反应温度为10~15℃,反应时间为45~50min。
可选地,将所述混合组分B调质处理后,制粒得导电材料的步骤中,将所述聚合物混合液过滤,取聚合物固体并干燥,得导电材料的步骤中,所述干燥时,干燥温度为70~85℃,干燥时间为60~80min。
此外,本发明还提供了一种导电布,这种导电布包括上述导电材料。
本发明提供的导电材料通过以聚甲基丙烯酸乙酯为基体,在聚甲基丙烯酸乙酯中插接碳纳米管,使碳纳米管在基体内部均匀分散,形成了连续的导电通路,从而起到了降低聚甲基丙烯酸乙酯的电阻率,提高所述导电材料的导电性的作用,而且,碳纳米管被包裹在基体内部,避免了碳纳米管因外力被剥离以致材料导电性下降。而由于聚甲基丙烯酸乙酯本身所具备的柔性特质,本发明提供的导电材料可被用作制备导电布的材料。此外,本发明提供的制备方法中,通过利用碳纳米管中碳原子的表面作用,吸引甲基丙烯酸乙酯在碳纳米管表面进行聚合,使碳纳米管的分散性更好,提高了产品的导电性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为提出的导电材料的制备方法的一实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是,全文中出现的“和/或”的含义,包括三个并列的方案,以“A和/或B”为例,包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高,且不够柔软。找到一种导电性能好且材质柔软的导电材料,是目前亟需解决的问题。
鉴于此,本发明提出一种导电材料,包括基体和分散在所述基体内的导电填料,所述基体为聚甲基丙烯酸乙酯,所述导电填料为碳纳米管。
本实施例中,所述碳纳米管优选为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、羟基碳纳米管或羧基碳纳米管;所述导电材料中所述碳纳米管的长度优选为80~100nm。
碳纳米材料中,碳纳米管(CNTs)因具有特殊的一维结构及物理化学性质,具有优异的机械性能和电化学性能。但是碳纳米管还具有表面能高、易团聚易缠绕、难分散的结构特点,导致其难以在高分子材料中发挥优异性能,碳纳米管在导电材料中的分散程度直接影响导电制品的性能。将碳纳米管分散到高分子中,可以减弱碳纳米管的团聚缠绕,有利于提高其分散性能。同时,将碳纳米管分散在聚甲基丙烯酸乙酯形成的基体中,形成导电通路,可以降低聚甲基丙烯酸乙酯的电阻率,从而提高导电材料的导电性,获得柔性的导电材料。且由于在该导电材料中,碳纳米管被包裹在基体内部,也避免了碳纳米管因外力被剥离。
此外,碳纳米管在导电材料中的含量直接影响到导电材料的导电性能。发明人发现,当碳纳米管的质量分数为8%~11%时,碳纳米管在高分子材料内部并排排列,且碳纳米管之间距离适中,电子能够跨越这一距离从一条碳纳米管上跃到另外一条碳纳米管上,从而可以形成连续的导电通路,实现导电。当碳纳米管的质量分数超过11%时,聚甲基丙烯酸乙酯中的碳纳米管的分布密度过大,反而会导致形成的导电材料韧性不足,不利于应用到制备柔性可穿戴电子织物中。基于此,在本实施例中,所述导电材料采用碳纳米管、四氢呋喃、1,1-二苯基己基锂、氯化锂和甲基丙烯酸乙酯作为原料,并优选其各组分的份量为100~200份碳纳米管、1500~2000份四氢呋喃、2~3份1,1-二苯基己基锂、2~3份氯化锂和800~1000份甲基丙烯酸乙酯。
此外,本发明还提出了一种导电材料的制备方法,用于制备上述导电材料,结合图1所示的导电材料的制备方法的一实施例的流程示意图,所述导电材料的制备方法包括以下步骤:
步骤S10、将碳纳米管均匀分散到四氢呋喃中,得碳纳米管四氢呋喃溶液。
由于碳纳米管之间较大的范德华引力、巨大的比表面积、非常高的长径比,一般情况下,碳纳米管以纠缠团聚体状态存在,因此需要使用分散剂将其打散成分散状态。分散剂可以采用DMF、丙酮、石油醚、四氢呋喃等任一种常见的分散剂,基于提高聚合反应效率的考虑,在本实施例中,优选为四氢呋喃。
在将碳纳米管均匀分散在四氢呋喃这一分散方法上,优选超声分散的方法,可以避免使用机械搅拌的分散时,搅拌力度过大而破坏碳纳米管的结构。
具体实施时,步骤S10可以按照以下步骤实现:在惰性气氛中,将碳纳米管加入到四氢呋喃中,超声35~40min,得碳纳米管四氢呋喃溶液,其中,所述超声频率为12~15kHz。
需要说明的是,所述惰性气体可以是任意一种在步骤S10的环境下表现为惰性,且不与碳纳米管发生反应的气体,例如,氮气、氦气或者二者的混合气体等;所述碳纳米管可以为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、羟基碳纳米管或羧基碳纳米管;所述导电材料中所述碳纳米管的长度优选为80~100nm。
步骤S20、向所述碳纳米管四氢呋喃溶液中加入甲基丙烯酸乙酯,搅拌均匀,得混合溶液。
其中,所述搅拌时,搅拌速度为200~300r/min,搅拌时间为20~40min。
步骤S30、将氯化锂和1,1-二苯基己基锂加入到所述混合溶液中,反应得聚合物混合液。
其中,氯化锂为催化剂,可以促进四氢呋喃解离出H+,使四氢呋喃的极性增强,从而促使阴离子聚合反应顺利进行,提高聚合反应效率;1,1-二苯基己基锂为引发剂,可以引发甲基丙烯酸乙酯在碳纳米管表面通过阴离子聚合法进行聚合,得到链长均一的聚甲基丙烯酸乙酯高分子。在本实施例中,聚合反应的温度为10~15℃,反应时间为45~50min。
需要说明的是,在上述步骤S10至步骤S30中,所采用的碳纳米管、四氢呋喃、1,1-二苯基己基锂、氯化锂和甲基丙烯酸乙酯的份量可以优选为100~200份碳纳米管、1500~2000份四氢呋喃、2~3份1,1-二苯基己基锂、2~3份氯化锂和800~1000份甲基丙烯酸乙酯。
步骤S40、将所述聚合物混合液过滤,取聚合物固体并干燥,得导电材料。
所述干燥时,干燥温度为70~85℃,干燥时间为60~80min。
此外,本发明还提供了一种导电布,这种导电布包括上述导电材料。
本发明提供的导电材料具有材质柔软、导电性能好的优点,可以用作制备导电布,为制备可穿戴电子织物提供了新的材料。
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明,应当理解,以下实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
在惰性气氛中,将100g单壁碳纳米管加入到1500g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率12kHz,超声40min,得分散均匀的单壁碳纳米管四氢呋喃溶液。向单壁碳纳米管四氢呋喃溶液中加入800g甲基丙烯酸乙酯,以210r/min的转速磁力搅拌30min,得混合溶液。将2g氯化锂和2.5g 1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于13℃下聚合反应45min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于70℃下干燥60min,得导电材料。在该导电材料中,单壁碳纳米管的管径为2nm、长度为80~100nm。
实施例2
在惰性气氛中,将150g单壁碳纳米管加入到1700g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率13kHz,超声35min,得分散均匀的单壁碳纳米管四氢呋喃溶液。向单壁碳纳米管四氢呋喃溶液中加入900g甲基丙烯酸乙酯,以300r/min的转速磁力搅拌25min,得混合溶液。将2.1g氯化锂和2.2g 1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于10℃下聚合反应47min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于75℃下干燥80min,得导电材料。在该导电材料中,单壁碳纳米管的管径为4nm、长度为80~100nm。
实施例3
在惰性气氛中,将130g多壁碳纳米管加入到1800g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率14kHz,超声37min,得分散均匀的多壁碳纳米管四氢呋喃溶液。向多壁碳纳米管四氢呋喃溶液中加入850g甲基丙烯酸乙酯,以260r/min的转速磁力搅拌40min,得混合溶液。将2.4g氯化锂和2.7g1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于15℃下聚合反应50min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于80℃下干燥60min,得导电材料。在该导电材料中,多壁碳纳米管的管径为6nm、长度为80~100nm。
实施例4
在惰性气氛中,将180g多壁碳纳米管加入到2000g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率15kHz,超声36min,得分散均匀的多壁碳纳米管四氢呋喃溶液。向多壁碳纳米管四氢呋喃溶液中加入950g甲基丙烯酸乙酯,以280r/min的转速磁力搅拌20min,得混合溶液。将2.8g氯化锂和2g 1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于14℃下聚合反应48min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于85℃下干燥70min,得导电材料。在该导电材料中,多壁碳纳米管的管径为5nm、长度为80~100nm。
实施例5
在惰性气氛中,将200g羟基碳纳米管加入到1900g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率12kHz,超声39min,得分散均匀的羟基碳纳米管四氢呋喃溶液。向羟基碳纳米管四氢呋喃溶液中加入1000g甲基丙烯酸乙酯,以200r/min的转速磁力搅拌35min,得混合溶液。将3g氯化锂和3g 1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于11℃下聚合反应49min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于76℃下干燥75min,得导电材料。在该导电材料中,羟基碳纳米管的管径为4nm、长度为80~100nm。
实施例6
在惰性气氛中,将170g羟基碳纳米管加入到2000g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率15kHz,超声35min,得分散均匀的羟基碳纳米管四氢呋喃溶液。向羟基碳纳米管四氢呋喃溶液中加入1000g甲基丙烯酸乙酯,以300r/min的转速磁力搅拌24min,得混合溶液。将3g氯化锂和2g1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于15℃下聚合反应45min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于75℃下干燥60min,得导电材料。在该导电材料中,羟基碳纳米管的管径为3nm、长度为80~100nm。
实施例7
在惰性气氛中,将200g羧基碳纳米管加入到1900g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率12kHz,超声35min,得分散均匀的羧基碳纳米管四氢呋喃溶液。向羧基碳纳米管四氢呋喃溶液中加入1000g甲基丙烯酸乙酯,以200r/min的转速磁力搅拌35min,得混合溶液。将3g氯化锂和3g1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于13℃下聚合反应47min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于70℃下干燥60min,得导电材料。在该导电材料中,羧基碳纳米管的管径为5nm、长度为80~100nm。
实施例8
在惰性气氛中,将200g羧基碳纳米管加入到1500g四氢呋喃中并放入超声仪中进行超声,超声频率14kHz,超声40min,得分散均匀的羧基碳纳米管四氢呋喃溶液。向羧基碳纳米管四氢呋喃溶液中加入1000g甲基丙烯酸乙酯,以220r/min的转速磁力搅拌38min,得混合溶液。将2g氯化锂和3g1,1-二苯基己基锂加入到混合溶液中,于10℃下聚合反应50min,得聚合物混合液。将聚合物混合液过滤,保留聚合物固体,并将聚合物固体置于80℃下干燥70min,得导电材料。在该导电材料中,羧基碳纳米管的管径为4nm、长度为80~100nm。
性能测试
采用泰克曼仪器(香港)控股有限公司TM386型数字表面电阻测试仪,依据ASTM标准D257对实施例1~8制备的导电材料的表面电阻率和电导率进行测定,记录数据如表1所示。
表1性能测试
Figure BDA0002019092660000081
由表1可知,实施例1~8制得的导电材料均具有较低的表面电阻率和较高的电导率,说明本发明提供的导电材料具有良好的导电性。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种导电材料的制备方法,其特征在于,所述导电材料包括基体和分散在所述基体内的导电填料,所述基体为聚甲基丙烯酸乙酯,所述导电填料为碳纳米管,所述导电材料的制备方法包括以下步骤:
在惰性气氛中,将碳纳米管加入到四氢呋喃中,超声35~40min,得碳纳米管四氢呋喃溶液,其中,所述超声频率为12~15kHz;
向所述碳纳米管四氢呋喃溶液中加入甲基丙烯酸乙酯,以200~300r/min搅拌速度搅拌20~40min,得混合溶液;
将氯化锂和1,1-二苯基己基锂加入到所述混合溶液中,反应得聚合物混合液;
将所述聚合物混合液过滤,取聚合物固体并干燥,得导电材料;
其中,所述反应时,反应温度为10~15℃,反应时间为45~50min;
各原料的重量份数为:100~200份碳纳米管、1500~2000份四氢呋喃、2~3份1,1-二苯基己基锂、2~3份氯化锂和800~1000份甲基丙烯酸乙酯,其中,所述碳纳米管和所述甲基丙烯酸乙酯的重量比为1:8、1:6、13:85、18:95、1:5或者17:100。
2.如权利要求1所述的导电材料的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、羟基碳纳米管或羧基碳纳米管。
3.如权利要求1所述的导电材料的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管的长度为80~100nm。
4.如权利要求1所述的导电材料的制备方法,其特征在于,将所述聚合物混合液过滤,取聚合物固体并干燥,得导电材料的步骤中,所述干燥时,干燥温度为70~85℃,干燥时间为60~80min。
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