CN111793903A - 一种液态金属基复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液态金属基复合材料、其制备方法及应用。所述液态金属基复合材料的制备方法包括：将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行，得到液态金属基复合材料。本发明将静电纺丝与静电喷涂液态金属微纳米颗粒同时进行，制得了拉伸率高、厚度较薄、贴附性好的液态金属基复合材料，其中拉伸率高达900％左右，厚度为35μm左右，可以很容易的贴附人体皮肤表面，且激活后，在高拉伸条件下，仍具有较高的导电性，稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及复合导电材料技术领域，具体而言，涉及一种液态金属基复合材料、其制备方法及应用。
背景技术
液态金属在柔性电子领域已得到广泛应用，但液态金属复合导电材料仍存在诸多问题。导电材料是由导电体和弹性体构成，液态金属占比达到一定阈值才能使得复合材料导电，这种阈值下液态金属在复合材料中的体积比很高，这就导致了弹性体占比降低，导电复合材料的力学性能变差，如拉伸断裂应变，疲劳等力学性能。现有技术中一般通过给导电材料增加支撑材料来提升其力学性能，但材料的厚度增加，不利于其在人体表皮的贴附和应用。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中液态金属复合导电材料存在拉伸率低，厚度大，贴附性差的缺点，给人体表皮电信号检测带来很大的困难。
为解决上述问题，本发明提供一种液态金属基复合材料的制备方法，包括：将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行，得到液态金属基复合材料。
较佳的，所述将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行包括：
S1，将液态金属在冰浴下进行超声处理，静置后取沉底液作为静电喷涂溶液，所述沉底液中包含所述液态金属微纳米颗粒，并将所述高分子弹性体材料与第二溶剂混合，得到高分子弹性体溶液作为静电纺丝溶液；
S2，在静电喷涂溶液端和静电纺丝溶液端同时施加正电压，在接收滚筒旋端施加负电压，同时进行静电喷涂与静电纺丝。
较佳的，所述静电喷涂溶液端的电压为10kV-12kV，所述静电纺丝溶液端的电压为8.5kV-12kV，所述接收滚筒端的负电压为2kV。
较佳的，所述高压静电喷涂液态金属基微纳米颗粒的速率为0.02-0.08ml/min。
较佳的，S1中，将所述液态金属与第一溶剂混合后再进行所述超声处理，其中所述第一溶剂为醇类溶剂。
较佳的，所述超声处理的时间为5-8min，所述超声处理的超声波频率范围为20-25KHz，所述超声处理的超声波功率为50-55％，所述超声处理的超声波振幅为30-50％，所述超声处理后静置时间为10-15min。
较佳的，所述高分子弹性体溶液中所述高分子弹性体材料的质量浓度为4％-15％。
较佳的，所述高分子弹性体材料包括聚酯和聚酰胺中的一种，所述第二溶剂包括含氟溶剂、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
本发明将静电纺丝与静电喷涂液态金属微纳米颗粒同时进行，制得了拉伸率高、厚度较薄、贴附性好的液态金属基复合材料，其中拉伸率高达900％左右，厚度为35μm左右，可以很容易的贴附人体皮肤表面，且激活后，在高拉伸条件下，仍具有较高的导电性，稳定性高。
本发明还提供一种液态金属基复合材料，采用如上所述的液态金属基复合材料的制备方法制得，所述液态金属基复合材料为液态金属微纳米颗粒填充的纤维网格结构。
本申请提供的液态金属基复合材料相比现有技术具有的有益效果与液态金属基复合材料的制备方法相比现有技术具有的有益效果相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种液态金属基复合材料的应用，将如上所述的液态金属基复合材料通过摩擦法、刮涂法或剪切法激活，并用于可拉伸柔性电路和生理信号检测方面。
本发明液态金属基复合材料为全柔性薄膜材料，且具有较高的稳定性，应用于生理信号检测和柔性电路方面具有稳定的信号输出。
附图说明
图1为本发明实施例中液态金属基复合材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例中液态金属基复合材料的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种液态金属基复合材料的制备方法，包括：将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行，得到液态金属基复合材料。
如图1、2所示，将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行包括：
S1，将液态金属在冰浴下进行超声处理，静置后取沉底液，沉底液中包含液态金属微纳米颗粒；其中，超声处理的时间为5-8min，超声波频率范围为20-25KHz，超声波功率为50-55％，超声波振幅为30-50％，超声处理后静置时间为10-15min。
并将高分子弹性体材料与第二溶剂混合，得到高分子弹性体溶液；其中，高分子弹性体材料包括聚酯和聚酰胺中的一种，第二溶剂包括含氟溶剂、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
S2，以沉底液作为静电喷涂溶液，以高分子溶液作为静电纺丝溶液，在静电喷涂溶液端和静电纺丝溶液端同时施加正电压，在接收滚筒端施加负电压，旋转接收滚筒，同时进行静电喷涂与静电纺丝，在接收滚筒上形成液态金属微纳米颗粒填充的纤维网格结构，即制得液态金属基复合材料。
其中，S1中，将液态金属与第一溶剂混合后再进行超声处理，其中第一溶剂为醇类溶剂。可选地，醇类溶剂可以为乙醇、丙三醇等。
本实施例将液态金属超声处理后，可以将大块体的液态金属破碎成直径在1微米左右的液态金属微纳米颗粒，而将液态金属在醇类溶剂中进行超声处理，可以保证液态金属在分散后不再聚合，形成毫米级别的液态金属球，从而始终保持成独立的微纳米球。
另外，由于超声处理过程中释放的能量会使得第一溶剂升温，使得液态金属表面有棒状氧化镓生成，从而影响材料的微观形貌和性能，因此本实施例中，将液态金属在冰浴条件下进行超声处理，使得在超声过程中可以保持实验温度环境的一致性。
S1中，高分子弹性体溶液中，高分子弹性体材料的质量浓度为4％-15％，优选为5％。
S2中，静电喷涂溶液端的电压为10kV-12kV，静电纺丝溶液端的电压为8.5kV-12kV，接收滚筒端的负电压为2kV。在静电喷涂及静电纺丝过程中，电压不同会影响材料中各组分的分散程度，电压越高，各组分分散性越好，但是在喷涂过程中不易集中，因此本实施例将电压设置为上述范围，以兼顾材料中各组分的分散性及喷涂效果。另外，静电喷涂液态金属基微纳米颗粒的速率为0.02-0.08ml/min，优选为0.08ml/min。
本实施例中，静电纺丝与静电喷涂液态金属微纳米颗粒同时进行，在静电纺丝过程中，高分子弹性体溶液纳米丝化，形成直径为700-900nm的丝，丝交织堆叠在一起形成厚度为35-100μm的纤维网格结构，同时，静电喷涂液态金属微纳米颗粒的方式，大幅增加了液态金属微纳米颗粒在纤维网格结构中的束缚力，使得液态金属微纳米颗粒致密填充于三维纤维纺丝网格结构中，高分子纺丝的力学性能不会因为液态金属的增加而减弱，解决了现有技术中液态金属占比增加导致弹性体占比降低、进而导致复合材料的力学性能变差的问题。
本实施例制得的液态金属基复合材料，厚度较薄，贴附性好，可以很容易的贴附人体皮肤表面。另外由于静电纺丝形成的高分子纳米丝在拉伸过程中会先发生形变取向，再利用自身弹性承受应变，因此本实施例制得的液态金属基复合材料还具有较高的拉伸率，拉伸率高达900％左右。
另外由于液态金属是颗粒化处理后喷涂至静电纺丝网结构中，液态金属微纳米颗粒可以与柔性的弹性体材料更好地结合，使得复合材料具有较高的导电稳定性。而且液态金属基复合材料还是一种全柔的薄膜材料，可用于柔性电路、生理信号检测等方面。
本发明实施例还提供一种液态金属基复合材料的应用，将上述制得的液态金属基复合材料通过摩擦法、刮涂法、剪切法等多种力学激活方式激活，使得液态金属基复合材料具有平面电极性能，用于可拉伸柔性电路中。其中，所谓的摩擦法是在液态金属基复合材料表面往复多次进行摩擦。所谓的刮涂法可以是用一块亚克力板在液态金属基复合材料的表面进行刮涂。所谓的剪切法，可以是使用剪刀或其它刀具对液态金属基复合材料进行截切。
在对液态金属基复合材料进行力学方式激活时，液态金属微纳米颗粒会束缚网格纤维膜移动，会增大激活时的摩擦力，进而增加电荷，使得液态金属基复合材料具有良好的电性能。
本实施例制得的液态金属基复合材料可以用于柔性电路方面，作为柔性可拉伸导线来实现动态形变下的电性能稳定性，另外还可以作为射频天线，将其做成NFC芯片电路进行信息交互，利用液态金属基复合材料的柔性贴附在人体皮肤表面。
本实施例制得液态金属基复合材料在高拉伸下，电阻变化率极小，具有更小的阻抗，同时还具有稳定的信号输出，因此还可以用于生理信号检测方面，用于检测心电ECG、肌电EMG等生理信号，采集的信号可用于疾病诊断、移动医疗监控等方面。
下面结合具体实施方式进行详细说明。
实施例1
1.1将液态金属与醇类溶剂混合，并在冰浴下超声处理5min，静置10min后取沉底液，作为静电喷涂溶液；
1.2将高分子弹性体材料与含氟溶剂混合，配置高分子弹性体溶液，作为静电纺丝溶液；
1.3将静电喷涂溶液端加10kV正高压，静电纺丝溶液端加8.5kV正高压，接收滚筒旋转接收并加2kV负高压，同时进行静电喷涂与静电纺丝，控制静电喷涂速率为0.04ml/min，制备得到液态金属基复合材料；
1.4将制得的液态金属基复合材料通过表面摩擦激活，使得液态金属基复合材料具有电极性能。
本实施例制得的液态金属基复合材料的断裂伸长率为380％，厚度约为30μm。
实施例2
2.1将液态金属与醇类溶剂混合，并在冰浴下超声处理6min，静置12min后取沉底液，作为静电喷涂溶液；
2.2将高分子弹性体材料与含氟溶剂混合，配置高分子弹性体溶液，作为静电纺丝溶液；
2.3将静电喷涂溶液端加11kV正高压，静电纺丝溶液端加10kV正高压，接收滚筒旋转接收并施加2kV负高压，同时进行静电喷涂与静电纺丝，控制静电喷涂速率为0.06ml/min，制备得到液态金属基复合材料；
2.4将制得的液态金属基复合材料通过表面刮涂激活，使得液态金属基复合材料具有电极性能。
本实施例制得的液态金属基复合材料的断裂伸长率为460％，厚度约为37μm。
实施例3
3.1将液态金属与醇类溶剂混合，并在冰浴下超声处理8min，静置15min后取沉底液，作为静电喷涂溶液；
3.2将高分子弹性体材料与含氟溶剂混合，配置高分子弹性体溶液，作为静电纺丝溶液；
3.3将静电喷涂溶液端加12kV正高压，静电纺丝溶液端加12kV正高压，接收滚筒旋转接收并施加2kV负高压，同时进行静电喷涂与静电纺丝，控制静电喷涂速率为0.08ml/min，制备得到液态金属基复合材料；
3.4将制得的液态金属基复合材料通过剪切激活，使得液态金属基复合材料具有电极性能。
本实施例制得的液态金属基复合材料的断裂伸长率为580％，厚度约为50μm。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行，得到液态金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述将高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行包括：
S1，将液态金属在冰浴下进行超声处理，静置后取沉底液作为静电喷涂溶液，所述沉底液中包含所述液态金属微纳米颗粒，并将所述高分子弹性体材料与第二溶剂混合，得到高分子弹性体溶液作为静电纺丝溶液；
S2，在静电喷涂溶液端和静电纺丝溶液端同时施加正电压，在接收滚筒端施加负电压，同时进行静电喷涂与静电纺丝。
3.根据权利要求2所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述静电喷涂溶液端的电压为10kV-12kV，所述静电纺丝溶液端的电压为8.5kV-12kV，所述接收滚筒端的负电压为2kV。
4.根据权利要求1-3任一项所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高压静电喷涂液态金属基微纳米颗粒的速率为0.02-0.08ml/min。
5.根据权利要求2或3所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，S1中，将所述液态金属与第一溶剂混合后再进行所述超声处理，其中所述第一溶剂为醇类溶剂。
6.根据权利要求5所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声处理的时间为5-8min，所述超声处理的超声波频率范围为20-25KHz，所述超声处理的超声波功率为50-55％，所述超声处理的超声波振幅为30-50％，所述超声处理后静置时间为10-15min。
7.根据权利要求2或3所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高分子弹性体溶液中所述高分子弹性体材料的质量浓度为4％-15％。
8.根据权利要求7所述的液态金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高分子弹性体材料包括聚酯和聚酰胺中的一种，所述第二溶剂包括含氟溶剂、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
9.一种液态金属基复合材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的液态金属基复合材料的制备方法制得，所述液态金属基复合材料为液态金属微纳米颗粒填充的纤维网格结构。
10.一种液态金属基复合材料的应用，其特征在于，将如权利要求9所述的液态金属基复合材料通过摩擦法、刮涂法或剪切法激活，并用于可拉伸柔性电路和生理信号检测方面。
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