CN110349693A - 一种快速导热的柔性电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性可穿戴电子技术领域，公开了一种快速导热的柔性电极及其制备方法。本发明所提供的柔性电极包括依次层叠设置的第一膜层、导电纳米材料矩阵和第二膜层，在第一膜层、第二膜层中均包含导热绝缘纳米材料和高分子材料，在导电纳米材料矩阵上引出导线。本发明所提供的柔性电极具有三明治结构，导热绝缘纳米材料和高分子材料在第一膜层和第二膜层中均匀分散，形成具有高导热系数、且具有良好绝缘性的两个纳米复合膜层，这两个纳米复合膜层与外界环境相接触，可将电极在运行过程中产生的热量快速及时地散发出去，延长电极和整个电路的使用寿命、保障回路和器件的安全。
Description
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子技术领域，特别涉及一种可以快速导热的柔性电极及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子技术的日渐兴起，包括柔性传感器、智能显示、能量存储、柔性机器人等在内的柔性器件和设备在近几年中得以迅速发展，这些器件和设备可以在受到外界应力(例如弯折、拉伸、扭曲等)的情况下仍保持良好的性能。作为柔性电子设备的重要组成部分，电极的柔性化势在必行，因为只有当电极在受到外界较大应力的时候不发生断裂、不丧失功能，才可能保证整个柔性器件功能的完整性。
导电高分子材料可以承受较大形变，但是较弱的导电性限制了其进一步的应用。目前制备柔性电极比较流行的方法是将诸如金属、碳材料等导电材料与高分子衬底相复合，从而达到既能承受各种形变应力又能保持良好导电性的效果。碳材料是目前地球上储量最丰富的材料，并且物理化学性能稳定、因而吸引了研究者的目光。尤其是碳纳米管、石墨烯问世以来，其在柔性电子器件上的应用也得到了大力发展。但是与金属相比，碳材料的导电性依然存在不足。
尽管目前的柔性电极产品已得到长足的发展，但仍然存在巨大的不足和挑战。例如，纳米复合材料中存在巨大的接触电阻，会使电极在运行过程中产生大量的焦耳热；这些不必要的热量势必影响电极和整个器件的稳定性及安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不但具有稳定的导电性和力学性能，并且具有较高导热系数的柔性电极及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种快速导热的柔性电极，其包括依次层叠设置的第一膜层、导电纳米材料矩阵和第二膜层，所述第一膜层、第二膜层中均包含导热绝缘纳米材料和高分子材料，所述导电纳米材料矩阵上引出导线。
优选地，所述第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为10～25％，可根据弯曲或拉伸的要求来调整导热绝缘纳米材料在第一膜层、第二膜层中的含量。
优选地，所述导热绝缘纳米材料选自零维纳米球、一维纳米线和二维纳米片中的至少一种。
优选地，所述导热绝缘纳米材料选自氮化硼纳米片、氮化铝纳米片、氮化硅纳米片和二硫化钼纳米片中的至少一种。
优选地，所述高分子材料选自热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯或其共聚物。
进一步优选地，所述导热绝缘纳米材料为氮化硼纳米片、所述高分子材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶；所述第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为20％、高分子材料的体积百分含量为80％。氮化硼纳米片具有良好的导热系数(185～300W/(m K))，热塑性聚氨酯弹性体橡胶具有优异的机械性能，当第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为20％、高分子材料的体积百分含量为80％时，柔性电极的性能达到最佳。
优选地，所述导电纳米材料矩阵选自金、银、铂纳米材料矩阵中的一种。
优选地，所述第一膜层和第二膜层为流延膜。
本发明实施方式的第二方面提供了上述快速导热的柔性电极的制备方法，其包含如下步骤：(1)制备膜层前驱体溶液：将导热绝缘纳米材料均匀分散到有机溶剂中，然后加入高分子材料，搅拌均匀后得到膜层前驱体溶液；(2)制备柔性电极：以所述膜层前驱体溶液制备第一膜层，在所述第一膜层上制备导电纳米材料矩阵；从所述导电纳米材料矩阵上引出导线；在所述导电纳米材料矩阵远离第一膜层的一面上以所述膜层前驱体溶液制备第二膜层，即得到柔性电极。
优选地，制备所述膜层前驱体溶液时所用的有机溶剂选自二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或者多种的混合溶剂。
优选地，以所述膜层前驱体溶液制备第一膜层和第二膜层的方法为延流法；制备所述导电纳米材料矩阵的方法为溅射法。
相对于现有技术而言，本发明所提供的柔性电极具有如下的有益效果：
1、导热绝缘纳米材料和高分子材料在第一膜层和第二膜层中均匀分散，形成具有高导热系数、且具有良好绝缘性的两个纳米复合膜层，这两个纳米复合膜层与外界环境相接触，可将电极在运行过程中产生的热量快速及时地散发出去，延长电极和整个电路的使用寿命、保障回路和器件的安全。
2、本发明实施方式所提供的柔性电极具有三明治结构，其中，掺杂导热绝缘纳米材料和高分子材料的第一膜层和第二膜层不仅可充当导电纳米材料矩阵的衬底，还可以起到封装和保护的作用，避免电极和器件被环境污染或破坏。
3、柔性电极的三明治结构也使得器件的各种功能得以相互促进，同时保持了器件的完整性，而不需要增加额外的组成部分，节省了空间，便于器件的微型化。
4、采用溅射法制备的导电纳米材料矩阵可以根据需求来灵活设计，以满足电极在不同弯折、拉伸等情况下柔性形变的需求。
附图说明
图1为实施例1中制备的扭曲结构的纳米银矩阵的光学图片；
图2为实施例1中所用到的单层氮化硼纳米片的扫描电镜图(比例尺为1微米)；
图3为实施例1中制备的掺杂有单层氮化硼纳米片的TPU流延膜的断面扫描电镜照片(比例尺为10微米)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的具体实施方式提供了一种快速导热的柔性电极，其包括依次层叠设置的第一膜层、导电纳米材料矩阵和第二膜层，所述第一膜层、第二膜层中均包含导热绝缘纳米材料和高分子材料，所述导电纳米材料矩阵上引出导线。
在本发明的一些实施例中，所述第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为10～25％、高分子材料的体积百分含量为75-90％。
在本发明的一些实施例中，所述导热绝缘纳米材料选自零维纳米球、一维纳米线和二维纳米片中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述导热绝缘纳米材料选自氮化硼纳米片、氮化铝纳米片、氮化硅纳米片和二硫化钼纳米片中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述高分子材料选自热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯或其共聚物。
在本发明的一些实施例中，所述导热绝缘纳米材料为氮化硼纳米片、所述高分子材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶；所述第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为20％、高分子材料的体积百分含量为80％。氮化硼纳米片具有良好的导热系数(185～300W/(m K))，热塑性聚氨酯弹性体橡胶具有优异的机械性能，当第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为20％、高分子材料的体积百分含量为80％时，柔性电极的性能达到最佳。
在本发明的一些实施例中，所述导电纳米材料矩阵选自金、银、铂纳米材料矩阵中的一种。
本发明的具体实施方式还提供了上述快速导热的柔性电极的制备方法，其包含如下步骤：(1)制备膜层前驱体溶液：将导热绝缘纳米材料均匀分散到有机溶剂中，然后加入高分子材料，搅拌均匀后得到膜层前驱体溶液；(2)制备柔性电极：以所述膜层前驱体溶液制备第一膜层，在所述第一膜层上制备导电纳米材料矩阵；从所述导电纳米材料矩阵上引出导线；在所述导电纳米材料矩阵远离第一膜层的一面上以所述膜层前驱体溶液制备第二膜层，即得到柔性电极。
在本发明的一些实施例中，制备所述膜层前驱体溶液时所用的有机溶剂选自二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或者多种的混合溶剂。
在本发明的一些实施例中，以所述膜层前驱体溶液制备第一膜层和第二膜层的方法为延流法；制备所述导电纳米材料矩阵的方法为溅射法。
以下为本发明的具体实施方式的举例，其中的原料均为已知化合物，可以由商业途径获得，或可按本领域已知方法制备。
实施例1
本实施例涉及一种快速导热的柔性电极，其包括依次层叠设置的第一膜层、导电纳米材料矩阵和第二膜层。所述第一膜层、第二膜层均为流延膜，在两个延流膜中均包含导热绝缘纳米材料二维氮化硼(BN)纳米片和高分子材料热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)。所述导电纳米材料矩阵为纳米银矩阵，且在该纳米银矩阵上引出导线。本实施例中,第一膜层、第二膜层中氮化硼纳米片的体积百分含量均为20％、热塑性聚氨酯弹性体橡胶的体积百分含量为80％。
本实施例中的快速导热的柔性电极的制备步骤如下：
(1)制备膜层前驱体溶液：
将剥离好的单层氮化硼纳米片加入到二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)混合溶剂中，超声振荡之后搅拌10小时，使得氮化硼纳米片均匀分散在混合溶剂中。然后将TPU颗粒加入到上述溶液中，磁力搅拌5小时，得到膜层前驱体溶液。
(2)制备柔性电极：
将制备好的膜层前驱体溶液流延成膜，置于真空干燥箱中12小时，充分干燥，得到第一膜层。利用真空溅射装置，在第一膜层的表面以纳米银溅射形成具有规则扭曲结构的银纳米矩阵，并在银纳米矩阵的两端引出导线。在银纳米矩阵远离第一膜层的一面上再以膜层前驱体溶液流延成膜，制备第二膜层，从而将导电银纳米矩阵包裹在第一膜层和第二膜层之间，并利用干压、热压等方式给样品加压，使得两层膜之间接触紧密，从而得到三明治结构的柔性电极。
图1为本实施例中制备的扭曲结构的银纳米矩阵的光学图片；图2为本实施例中所用到的单层氮化硼纳米片的扫描电镜图(比例尺为1微米)；图3为本实施例中制备的掺杂有导热绝缘纳米材料—单层氮化硼纳米片的TPU流延膜的断面扫描电镜照片(比例尺为10微米)。
本实施例中的快速导热的柔性电极的性能测试如下：
将制备好的柔性电极进行热学、电学等性能测试。测试表明，本实施例所制备的柔性电极可以在弯曲和拉伸120％情况下保持很好的电学性能，其导热系数为1.17W/m·K，远高于纯TPU膜的0.42W/m·K，即本实施例所制备的柔性电极的热导率得到极大提高。
实施例2
将实施例1中的氮化硼纳米片替换为氮化硅纳米线，高分子材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，纳米银则替换为纳米金，采用与实施例1同样的步骤制备导热柔性电极。第一膜层、第二膜层中氮化硅纳米片的体积百分含量均为20％、聚二甲基硅氧烷的体积百分含量为80％。
测试结果表明，本实施例电极可以在弯曲和拉伸160％情况下仍能保持很好的电学性能，导热系数为0.902W/m·K，同样远高于纯PDMS膜的0.379W/m·K。
实施例3
将实施例1中的氮化硼纳米片替换为氮化铝(AlN)纳米颗粒，高分子材料采用聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物(polystyrene-polyisoprene-polystyrene)，纳米银替换为碳纳米管，采用与实施例1同样的步骤制备导热柔性电极。本实施例中，第一膜层、第二膜层中氮化硅纳米片的体积百分含量均为15％、聚二甲基硅氧烷的体积百分含量为85％。
测试结果表明，电极可以在弯曲和拉伸160％情况下仍能保持很好的电学性能，导热系数为0.792W/m·K，远高于纯聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物膜的0.39W/m·K。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种快速导热的柔性电极，其特征在于，包括依次层叠设置的第一膜层、导电纳米材料矩阵和第二膜层，所述第一膜层、第二膜层中均包含导热绝缘纳米材料和高分子材料，所述导电纳米材料矩阵上引出导线。
2.根据权利要求1所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，所述第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为10～25％。
3.根据权利要求1所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，所述导热绝缘纳米材料选自零维纳米球、一维纳米线和二维纳米片中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，所述导热绝缘纳米材料选自氮化硼纳米片、氮化铝纳米片、氮化硅纳米片和二硫化钼纳米片中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，所述高分子材料选自热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯或其共聚物。
6.根据权利要求1所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，所述导热绝缘纳米材料为氮化硼纳米片、所述高分子材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶；所述第一膜层、第二膜层中导热绝缘纳米材料的体积百分含量为20％、高分子材料的体积百分含量为80％。
7.根据权利要求1所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，所述导电纳米材料矩阵选自金、银、铂纳米材料矩阵中的一种。
8.权利要求1至7中任一项所述的快速导热的柔性电极的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)制备膜层前驱体溶液：
将导热绝缘纳米材料均匀分散到有机溶剂中，然后加入高分子材料，搅拌均匀后得到膜层前驱体溶液；
(2)制备柔性电极：
以所述膜层前驱体溶液制备第一膜层，在所述第一膜层上制备导电纳米材料矩阵；从所述导电纳米材料矩阵上引出导线；在所述导电纳米材料矩阵远离第一膜层的一面上以所述膜层前驱体溶液制备第二膜层，即得到柔性电极。
9.根据权利要求8所述的快速导热的柔性电极，其特征在于，制备所述膜层前驱体溶液时所用的有机溶剂选自二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或者多种的混合溶剂。
10.根据权利要求8所述的快速导热的柔性电极的制备方法，其特征在于，以所述膜层前驱体溶液制备第一膜层和第二膜层的方法为延流法；制备所述导电纳米材料矩阵的方法为溅射法。
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