CN110903652B - 渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料及其制备方法与应用，所述导电复合材料包括聚合物树脂和均匀分散在所述聚合物树脂中的金属填料；所述金属填料为一维线状晶体结构和三维花朵状或树枝状晶体结构的混合金属填料；所述聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷、聚硅氧烷弹性体、聚氨酯、乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物、苯乙烯‑戊二烯‑苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯嵌段共聚物或苯乙烯‑乙烯‑丁二烯‑苯乙烯嵌段共聚物中的任意一种或至少两种的混合物。本发明的技术方案的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料，具有更好的各向同性的导电效果和均匀的分散性以及良好的稳定性，渗流阈值大幅度降低，同时还提高了拉伸性能。

Description

渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于导电复合材料技术领域，尤其涉及一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
柔性可拉伸导电复合材料是一种具有机械拉伸及恢复能力的电导体材料，能适应较大程度的拉伸、弯曲等机械形变，可用于柔性电路、可穿戴电子等新兴电子领域。柔性可拉伸导电复合材料制备方法简单，通常是由聚合物基质与金属填料复合而成，且金属填料的含量必须高于其渗流阈值才具备稳定的导电性能。要想获得高电导率的复合材料，一般需使用金、银等高电导率的纯金属作为导电填料。一方面，金、银作为价格昂贵的金属材料，高填充量必然带来高成本；另一方面，常用的金属填料为零维颗粒或一维线状二维片状，从而导致了导电复合材料的渗流阈值比较高。基于以上两点，使得现有柔性可拉伸导电复合材料的成本和导电性能无法同时达到最优。此外，复合材料的拉伸率和填料的含量也有关，填料含量越高，拉伸率下降，但导电性提高。因此开发一种导电率高同时拉伸应变大且价格低廉的柔性可拉伸导电复合材料具有重要意义。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料及其制备方法与应用，得到的复合材料的渗流阈值较低，从而可以同时兼顾成本和导电性能、拉伸性能。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料，其包括聚合物树脂和均匀分散在所述聚合物树脂中的金属填料；所述金属填料为一维线状晶体结构和三维花朵状或树枝状晶体结构的混合金属填料；所述聚合物树脂为具有柔性和弹性的聚合物，可以为聚二甲基硅氧烷、聚硅氧烷弹性体、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、苯乙烯-戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的任意一种或至少两种的混合物。
采用此技术方案，将一维线状晶体结构和三维花朵状或树枝状晶体结构的混合金属填料混合到具有柔性和弹性的聚合物中，一维线状和三维花朵状或树枝状晶体结构的金属填料相互形成更好的接触，构成导电渔网结构，从而使得复合材料能保持良好的各向同性的导电效果和均匀的分散性以及良好的稳定性，提高了拉伸性能。
作为本发明的进一步改进，所述混合金属填料中，一维线状晶体结构的直径为20纳米~120纳米，长度为10微米~100微米；三维花朵状晶体结构的直径为100纳米~1000纳米，表面具有5纳米~50纳米厚的片层结构；三维树枝状晶体结构的直径为0.5微米~50微米，二级结构的长度为5纳米~5微米。
作为本发明的进一步改进，所述混合金属填料的质量百分比为20％～80％，所述聚合物树脂的质量百分比为80％～20％。
作为本发明的进一步改进，所述金属填料为银、铜、锡、金、铂、钯、铝中的一种或者多种的混合。
作为本发明的进一步改进，所述聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的任意一种或至少两种的混合物。
作为本发明的进一步改进，混合金属填料中，一维线状晶体结构的质量百分比为20%~50%，三维花朵状或树枝状晶体结构的质量百分比为80%~50%。
本发明还公开了一种如上任意一项所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1，分别准备聚合物树脂和微观结构为一维线状晶体和三维花朵状或树枝状晶体的混合金属粉末；
步骤S2，将所述聚合物树脂、混合金属粉末混合得到混合物浆料；
步骤S3，将得到的混合物浆料进行涂布、印刷并最终固化形成导电线路或连接件。
作为本发明的进一步改进，步骤S2包括如下子步骤：
子步骤S201，先将聚合物树脂放入容器中，然后加入预先与有机溶剂混合的总的三维花朵状或树枝状晶体结构质量百分比的40%~70%的金属填料，搅拌混合均匀，搅拌速度V1为1000~1500转/分钟；
子步骤S202，再加入预先与有机溶剂混合的全部线状晶体结构的金属填料，搅拌混合均匀，搅拌速度V2为1000~1500转/分钟；
子步骤S203，最后加入预先与有机溶剂混合的剩余的三维花朵状或树枝状晶体填料，搅拌混合均匀，搅拌速度V3为800~1200转/分钟；且搅拌速度V3小于搅拌速度V2。
在整个搅拌过程中，加入固化剂、交联剂、流变控制剂和稳定剂中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述有机溶剂为正己烷、环己酮、甲乙酮、乙酸乙酯、丙三醇乙酸丁酯或酒精。
本发明还公开了一种如上任意一项所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的应用，所述渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料用于制作柔性电路、印刷电路、柔性导体、柔性电极、可拉伸导体、可穿戴电子产品或柔性导电薄膜中。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的技术方案的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料，使用微观结构为一维线状和三维花朵状或树枝状晶体结构的混合金属填料作为金属填料，相对于现有的金属填料而言，一方面，一维线状结构能够起到锚定和桥接三维花朵状或树枝晶状结构的效果；另一方面，一维和三维的微纳结构易于相互形成良好欧姆接触，从而实现一维和三维结构的紧密联系，构成稳定的一体化混合导电渔网结构，使得复合材料能保持良好的各向同性的导电效果和均匀的分散性以及良好的稳定性，渗流阈值大幅度降低，因此拉伸性能得到了大大提高。制备的可拉伸柔性导电复合材料结构均匀、性能稳定，能够加工成任意合适的尺寸，使用成本更低，运用范围更加广泛，可以应用到柔性电路、印刷电路、柔性导体、柔性电极、可拉伸导体、可穿戴电子产品或柔性导电薄膜中。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料，其包括聚合物树脂和均匀分散在所述聚合物树脂中的金属填料；所述金属填料为一维线状晶体结构和三维花朵状或树枝状晶体结构的混合金属填料；其采用以下步骤制备得到：
1) 制备用作导电填料的银金属填料，其中银金属填料的微观结构为一维线状的晶体结构和三维树枝状晶体结构，一维纳米银线晶体结构直径为20纳米~140纳米，长度为40微米~60微米；三维树枝状晶体结构的直径为0.5微米～5微米，二级枝状结构的长度为5纳米～100纳米。
2) 将PDMS预聚物3克放入容器中，然后加入预先与正己烷混合的3克三维树枝状晶体结构银粉末分散液，搅拌（V1=1500转/分钟）10分钟，然后加入预先与正己烷混合的2克一维纳米银线粉末分散液，搅拌（V2=1500转/分钟）10分钟，然后加入预先与正己烷混合的2克三维树枝状晶体结构银粉末分散液，搅拌（V3=1000转/分钟）5分钟，最后加入固化剂，室温下搅拌（V3=1000转/分钟）5分钟，抽真空脱气泡30分钟。将混合料倒入聚四氟模具中，室温放置1小时，待正己烷挥发完后转至80℃的烘箱中加热4小时将混合料固化，即制得可拉伸柔性导电复合材料。
经测试与计算，所制导电复合材料的电导率为8×104S/m，最大拉伸应变达150%。将其切割成条形薄膜状，置于拉伸夹具中，并与外电路及LED灯泡连接，并逐步施加拉伸作用力，在不同应变下该材料都能点亮LED灯泡。
对比例1
本对比例的导电复合材料采用以下步骤制备得到：
1) 制备用作导电填料的银金属填料，其中银金属填料的微观结构为片状。
2) 将步骤1)得到的微观结构为片状银金属填料7克、PDMS预聚物3克和正己烷直接混合，加入固化剂，搅拌（V=1500转/分钟）30分钟，抽真空脱气泡30分钟。将混合料倒入聚四氟模具中，室温放置1小时，待正己烷挥发完后转至80℃的烘箱中加热4小时将混合料固化，即制得可拉伸柔性导电复合材料。
经样品拉伸测试与计算，所制导电复合材料的电导率为3.2×102S/m，最大拉伸应变达110%。将其切割成条形薄膜状，置于拉伸夹具中，并与外电路及LED灯泡连接，并逐步施加拉伸作用力，在不同应变下该材料都能点亮LED灯泡。
对比例2
本对比例的导电复合材料采用以下步骤制备得到：
1) 制备用作导电填料的银金属填料，其中银金属填料的微观结构为一维线状的晶体结构和三维树枝状晶体结构，一维纳米银线晶体结构直径为20纳米~140纳米，长度为40微米~60微米；三维树枝状晶体结构的直径为0.5微米～5微米，二级枝状结构的长度为5纳米～100纳米。
2) 将PDMS预聚物3克、5克三维树枝状晶体结构银粉末、2克一维纳米银线粉末、正己烷直接混合，加入固化剂，搅拌（V=1500转/分钟）30分钟，抽真空脱气泡30分钟。将混合料倒入聚四氟乙烯模具中，室温放置1小时，待正己烷挥发完后转至80℃的烘箱中加热4小时将混合料固化，即制得可拉伸柔性导电复合材料。
经测试与计算，所制导电复合材料的电导率为6.7×103S/m，最大拉伸应变达130%。将其切割成条形薄膜状，置于拉伸夹具中，并与外电路及LED灯泡连接，并逐步施加拉伸作用力，在不同应变下该材料都能点亮LED灯泡。
实施例2
一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料，其采用以下步骤制备得到：
1) 制备用作导电填料的银金属填料，其中银金属填料的微观结构为一维线状的晶体结构和三维树枝状晶体结构，一维纳米银线晶体结构直径为20纳米~140纳米，长度为40微米~60微米；三维树枝状晶体结构的直径为0.5微米～5微米，二级枝状结构的长度为5纳米～100纳米。
2) 将PDMS预聚物5克放入容器中，然后加入预先与正己烷混合的2克三维树枝状晶体结构银粉末分散液，搅拌（V1=1500转/分钟）10分钟，然后加入预先与正己烷混合的1.5克一维纳米银线粉末分散液，搅拌（V2=1500转/分钟）10分钟，然后加入预先与正己烷混合的1.5克三维树枝状晶体结构银粉末分散液，搅拌（V3=1000转/分钟）5分钟，最后加入固化剂，室温下搅拌（V3=1000转/分钟）5分钟，抽真空脱气泡30分钟。将混合料倒入聚四氟乙烯模具中，室温放置1小时，待溶剂挥发完后转至80℃的烘箱中加热4小时将混合料固化，即制得可拉伸柔性导电复合材料。
经测试与计算，所制导电复合材料的电导率为1.3×103S/m，最大拉伸应变达180%。将其切割成条形薄膜状，置于拉伸夹具中，并与外电路及LED灯泡连接，并逐步施加拉伸作用力，在不同应变下该材料都能点亮LED灯泡。
对比例3
本对比例的导电复合材料采用以下步骤制备得到：
1) 制备用作导电填料的银金属填料，其中银金属填料的微观结构为片状。
2) 将步骤1)得到的微观结构为片状银金属填料5克、PDMS预聚物5克和溶剂直接混合，加入固化剂，搅拌（V=1500转/分钟）30分钟，抽真空脱气泡30分钟。将混合料倒入聚四氟乙烯模具中，室温放置1小时，待正己烷挥发完后转至80℃的烘箱中加热4小时将混合料固化，即制得可拉伸柔性导电复合材料。
经测试与计算，所制导电复合材料的电导率为2.0×101S/m，最大拉伸应变达120%。将其切割成条形薄膜状，置于拉伸夹具中，并与外电路及LED灯泡连接，并逐步施加拉伸作用力，在不同应变下该材料都能点亮LED灯泡。
对比例4
本对比例的导电复合材料采用以下步骤制备得到：
1) 制备用作导电填料的银金属填料，其中银金属填料的微观结构为一维线状的晶体结构和三维树枝状晶体结构，一维纳米银线晶体结构直径为20纳米~140纳米，长度为40微米~60微米；三维树枝状晶体结构的直径为0.5微米～5微米，二级枝状结构的长度为5纳米～100纳米。
2) 将PDMS预聚物5克、3.5克三维树枝状晶体结构银粉末、1.5克一维纳米银线粉末、溶剂直接混合，加入固化剂，搅拌（V=1500转/分钟）30分钟，抽真空脱气泡30分钟。将混合料倒入聚四氟乙烯模具中，室温放置1小时，待正己烷挥发完后转至80℃的烘箱中加热4小时将混合料固化，即制得可拉伸柔性导电复合材料。
经测试与计算，所制导电复合材料的电导率为2.7×102S/m，最大拉伸应变达150%。将其切割成条形薄膜状，置于拉伸夹具中，并与外电路及LED灯泡连接，并逐步施加拉伸作用力，在不同应变下该材料都能点亮LED灯泡。
将2个实施例与4个对比例中的结果对比，可得到以下结论：在同样的金属填料和聚合物基质的比例下，实施例1和2的导电复合材料的导电性更高，拉伸率更大。上述结果表明，本发明的渔网结构的柔性可拉伸复合材料，导电性好，拉伸性能好，结构稳定，使用成本更低，运用范围可以更加广泛。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料包括聚合物树脂和均匀分散在所述聚合物树脂中的金属填料；所述金属填料为一维线状晶体结构和三维花朵状或树枝状晶体结构的混合金属填料；所述聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷、聚硅氧烷弹性体、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、苯乙烯-戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的任意一种或至少两种的混合物；
所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1，分别准备聚合物树脂和微观结构为一维线状晶体和三维花朵状或树枝状晶体的混合金属粉末；
步骤S2，将所述聚合物树脂、混合金属粉末混合得到混合物浆料；
步骤S3，将得到的混合物浆料进行涂布、印刷并最终固化形成导电线路或连接件；
步骤S2包括如下子步骤：
子步骤S201，先将聚合物树脂放入容器中，然后加入预先与有机溶剂混合的总的三维花朵状或树枝状晶体结构质量百分比的40%~70%的金属填料，搅拌混合均匀，搅拌速度V1为1000~1500转/分钟；
子步骤S202，再加入预先与有机溶剂混合的全部线状晶体结构的金属填料，搅拌混合均匀，搅拌速度V2为1000~1500转/分钟；
子步骤S203，最后加入预先与有机溶剂混合的剩余的三维花朵状或树枝状晶体填料，搅拌混合均匀，搅拌速度V3为800~1200转/分钟；且搅拌速度V3小于搅拌速度V2。
2.根据权利要求1所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为正己烷、环己酮、甲乙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯或酒精。
3.根据权利要求1所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合金属填料中，一维线状晶体结构的直径为20纳米~120纳米，长度为10微米~100微米；三维花朵状晶体结构的直径为100纳米~1000纳米，表面具有5纳米~50纳米厚的片层结构；三维树枝状晶体结构的直径为0.5微米~50微米，二级结构的长度为5纳米~5微米。
4.根据权利要求1所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合金属填料的质量百分比为20％～80％，所述聚合物树脂的质量百分比为80％～20％。
5.根据权利要求1所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属填料为银、铜、锡、金、铂、钯、铝中的一种或者多种的混合。
6.根据权利要求1所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的任意一种或至少两种的混合物。
7.根据权利要求1所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法，其特征在于：混合金属填料中，一维线状晶体结构的质量百分比为20%~50%，三维花朵状或树枝状晶体结构的质量百分比为80%~50%。
8.一种渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料，其特征在于：其采用如权要求1~7任意一项所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的制备方法制备得到。
9.一种如权利要求8所述的渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料的应用，其特征在于：所述渔网结构的柔性可拉伸导电复合材料用于制作柔性电路、印刷电路、柔性导体、柔性电极、可拉伸导体、可穿戴电子产品或柔性导电薄膜中。
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