CN110299219A - 一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法 - Google Patents

一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法 Download PDF

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胡圣飞
刘清亭
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Abstract

本发明涉及一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法。取硅橡胶加入导电填料(碳纤维或碳纳米管)、交联剂，超声作用，同时搅拌；随后倒入能产生锚式折叠电场线的电极同向交叉排列的电场中，其中电极为铜制电极材料。接通电源，采用一定强度交流电压诱导填料发生取向；取向完成后升高温度，使硅橡胶交联固化；在交联过程中保持电场，固化后撤掉电场，随后取下样品。采用具有锚式折叠电场线的电场可明显地降低导电填料的用量，对复合材料弹性的影响较小；且具有锚式电场线的电场制备简洁，电极的安装和样品尺寸可调性大；同时电场线分布具有明显弧形，有利于导电填料沿着外场方向定向排列形成折叠或者波浪结构，增强了导电网络的结构可拉伸性。

Description

一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法
技术领域
本发明涉及一种可拉伸导体的制备方法，尤其涉及一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法，属于柔性导体材料技术领域。
背景技术
柔性可拉伸导体是柔性电子材料的重要基础材料，在未来科技发展领域具有重要的应用前景。聚合物基导电复合材料是一种制备可拉伸导体的重要途径。在聚合物基可拉伸导电复合材料中，聚合物提供优异的高弹性，导电填料在聚合物基体中形成良好的导电网络实现电学性能；若满足在拉伸情况下也能保持良好的电学性能则需要：1)保持聚合物优异的高弹性，2)具有可拉伸的导电网络。然而，目前的聚合物基柔性导体存在填充量高且导电网络结构的可拉伸性低等问题，严重影响了聚合物基可拉伸导体的性能。
现有：CN201810054919.7公开了一种基于分形结构银微粒的柔性可拉伸导体，首先制备具有特殊三维结构的分级银微粒，然后嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备出性能优异的可拉伸导体。该发明主要是利于分级银微粒的特殊结构，实现了柔性可拉伸，但分级银微粒的制备方法较繁琐。CN201610824339.2则是将液体金属颗粒分数至弹性体中，然后裁剪成指定形状。该方法是利用液体金属的可变形性制备了性能优异的可拉伸导体；但是液体金属价格昂贵且毒性较大，难以大规模使用。另有CN201510618125.5公开了一种烧结的方式，首先将导电颗粒包覆在柔性基体颗粒表面，然后采用3D激光烧结技术，将其颗粒制备成柔性导体，该方法思路巧妙，但是需要大量的时间且加工设备复杂。
因此，如何在低填料含量下保持聚合物高弹性的同时形成具有可拉伸结构的导电网络对推动聚合物基可拉伸导体的制备具有重要的理论意义和现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种工艺简单、基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法，其特征在于，所述可拉伸导体材料由如下重量份的各组分组成：
硅橡胶 100份
交联剂 10份
导电填料 0.5-5份
其中，所述硅橡胶是聚二甲基硅氧烷，甲基乙烯基硅橡胶或甲基苯基乙烯基硅橡胶；所述交联剂为2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、过氧化二异丙苯中的一种；所述方法包括如下步骤：
1)制备混合体系：按比例称取液体硅橡胶、交联剂、导电填料，超声分散混合均匀后倒入带有电极的模具，同时抽真空20min除去气泡，真空度为0.06MPa；模具为玻璃材料，其中电极同向交叉排列，电极为铜制电极材料；同时，模具置于加热台上，电极间距离为2cm，模具长宽高为5×2×1cm3；
2)接通电源，施加电场：采用500V/m～2000V/m的电场强度填料发生取向，取向时间为30～200min；其中电源为交流电场，交流电场的频率为10～100Hz；
3)升高热台温度，使硅橡胶交联固化：取向完成后，将温度升至100℃，交联固化30min；在交联过程中保持电场，30min后撤掉电场，随后取下样品。
进一步的，所述导电填料为碳纳米管、碳纤维中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、可明显地降低导电填料的用量，对复合材料弹性的影响较小；
2、导电填料沿着外场方向定向排列形成折叠或者波浪结构，增强了导电网络的结构可拉伸性；且具有锚式电场线的电场制备简洁，电极的安装和样品尺寸可调性大；同时电场线分布具有明显弧形，有利于形成弧形取向结构；
3、由于电泳效应，导电填料易在电极处聚集，并且电场极化作用会促使导致导电填料相互吸引而发生粗化效应，这两种效应均可增强导电填料相互间的作用和导电填料间的接触程度，有利于保持应变时导电网络的稳定性。因此，这种电场作用有助于制备低填料含量、高倍率的聚合物基可拉伸导体。
附图说明
图1为本发明基于具有锚式折叠电场线的电场示意图。
具体实施方式
为了更好地了解该发明，下面结合附图和实施实例进一步阐明本发明专利的内容，但是本发明专利的内容并不局限于下面的实施实例。
实施例1、称取聚二甲基硅氧烷、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)、交联剂、碳纤维，超声分散混合均匀后倒入产生锚式电场线的电极的模具(如图1所示)中，抽真空20min除去气泡，真空度为0.06MPa；其中组分重量比例为硅橡胶：交联剂：碳纤维＝100:10:0.5。施加2000V/m的交流电场强度，即设置电压为40V，频率为10Hz；200min后，将温度升至100℃，交联固化30min，在交联过程中保持电场。固化完毕后撤掉电场。
实施例2、称取甲基乙烯基硅橡胶、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)、交联剂、碳纤维，超声分散混合均匀后倒入产生锚式电场线的电极的模具中，抽真空20min除去气泡，真空度为0.06MPa；其中组分重量比例为硅橡胶：交联剂：碳纤维＝100:10:3。施加1000V/m的交流电场强度，即设置电压为20V，频率为50Hz；100min后，将温度升至100℃，交联固化30min，在交联过程中保持电场。固化完毕后撤掉电场。
实施例3、称取甲基苯基乙烯基硅橡胶、过氧化二异丙苯、交联剂、碳纤维，超声分散混合均匀后倒入产生锚式电场线的电极的模具中，抽真空20min除去气泡，真空度为0.06MPa；其中组分重量比例为硅橡胶：交联剂：碳纤维＝100:10:5。施加500V/m的交流电场强度，即设置电压为10V，频率为100Hz；30min后，将温度升至100℃，交联固化30min，在交联过程中保持电场。固化完毕后撤掉电场。
实施例4，与实施例1类似，将碳纤维换为碳纳米管。
实施例5，与实施例2类似，将碳纤维换为碳纳米管。
实施例6，与实施例3类似，将碳纤维换为碳纳米管。
对比例1：采用实施例1中的原料及制备工艺，不施加电场，其中碳纤维的用量为5wt％。
对比例2：采用实施例7中的原料及制备工艺，不施加电场，其中碳纳米管的用量为5wt％。
表1
从表1中看出，在相同填料含量时，经过锚式交流电场取向的复合材料的电阻率低于未取向的复合材料，前者为后者的12％(CF)和30％(CNTs)；且可拉伸性能远高于未取向的复合材料；如，当CF为5wt％时，取向的复合材料在10％的应变时电阻相对变化仅为12％，远低于未取向的35％；当CNTs含量为5wt％时，二者分别为6％和12％；在应变为20％时，也有同样的规律。此外，取向的复合材料在填料含量仅为0.5wt％即可实现导电性，而未取向的需要填料含量达到5wt％。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体的方法，其特征在于，所述可拉伸导体由如下重量份的各组分组成：
硅橡胶 100份
交联剂 10份
导电填料 0.5-5份
其中，所述硅橡胶是聚二甲基硅氧烷，甲基乙烯基硅橡胶或甲基苯基乙烯基硅橡胶；所述交联剂为2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、过氧化二异丙苯中的一种；所述方法包括如下步骤：
1)制备混合体系：按比例称取液体硅橡胶、交联剂、导电填料，超声分散混合均匀后倒入带有电极的模具，同时抽真空20min除去气泡，真空度为0.06MPa；模具为玻璃材料，其中电极同向交叉排列，电极为铜制电极材料；同时，模具置于加热台上，电极间距离为2cm，模具长宽高为5×2×1cm3；
2)接通电源，施加电场：采用500V/m～2000V/m的电场强度填料发生取向，取向时间为30～200min；其中电源为交流电场，交流电场的频率为10～100Hz；
3)升高热台温度，使硅橡胶交联固化：取向完成后，将温度升至100℃，交联固化30min；在交联过程中保持电场，30min后撤掉电场，随后取下样品。
2.根据权利要求1所述的基于具有锚式折叠电场线的电场制备可拉伸导体材料，其特征在于，所述导电填料为碳纳米管、碳纤维中的一种。
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