CN112812567B - 一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法 - Google Patents

一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将聚二甲基硅氧烷与碳纳米管混合，加入稀释剂，经超声和搅拌得到悬浮分散液，然后置于保温箱中脱除稀释剂备用；(2)将固化剂加入至悬浮分散液中，经超声和搅拌后浇筑至模具中，再经脱泡处理后置于1800V/cm的电场中静置20min，最后固化、脱模即可。本发明基于电场诱导手段，通过严格的电场参数调控协同适量的碳纳米管导电粒子，使得复合材料中的碳纳米管导电粒子均匀有序的分布于聚二甲基硅氧烷基体中，在保证复合材料的可加工性和力学性能的基础上，还具有高的导电性能。

Description

一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法，属于导电复合材料加工技术领域。
背景技术
聚合物基导电复合材料是在基体聚合物中加入导电聚合物或导电填料，采用物理或化学方法复合后，得到具有一定力学性能和导电性能的多相复合材料。作为一种新型的功能材料，聚合物基导电复合材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点。由于导电复合材料性能比较独特，在电子器件、汽车、航空航天器、生物医学器件、传感器、电磁屏蔽材料、抗静电材料等方面有广泛的应用需求。导电复合材料制备的关键在于导电材料在聚合物基体中形成连续紧密的导电网络，使复合材料具备导电功能。但导电填料添加过多会使复合材料的电学性能和力学性能下降；而少量导电填料则不能有效的提高复合材料的导电率。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法，基于电场诱导手段，通过严格的电场参数调控协同适量的碳纳米管导电粒子，使得复合材料中的碳纳米管导电粒子均匀有序的分布于聚二甲基硅氧烷基体中，在保证复合材料的可加工性和力学性能的基础上，还具有高的导电性能。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚二甲基硅氧烷与碳纳米管混合，加入稀释剂，经超声和搅拌得到悬浮分散液，然后置于保温箱中脱除稀释剂备用；
(2)将固化剂加入至悬浮分散液中，经超声和搅拌后浇筑至模具中，再经脱泡处理后置于1800V/cm的电场中静置20min，最后固化、脱模即可。
作为优选，步骤(1)中，所述聚二甲基硅氧烷与碳纳米管的质量比为20～45：1，进一步优选为30：1。
作为优选，步骤(1)中，所述稀释剂为异丙醇、二环氧丙烷乙基醚、环氧丙烷丁基醚和环氧丙烷苯基醚中的一种或多种，其添加量为碳纳米管质量的1.5～2.5倍。
作为优选，步骤(1)中，保温箱中温度为90～100℃，时间为1～2h。
作为优选，步骤(2)中，所述固化剂为乙基苯，其添加量为碳纳米管质量的2.0～4.5倍。
作为优选，步骤(2)中，所述模具由底座、负电极板、后支架、前支架、正电极板和模具支座组成，所述底座、后支架、前支架和模具支座均为3D打印材料，例如聚酰胺。
作为优选，步骤(2)中，所述脱泡处理是指将浇筑后的模具置于压强为1200Pa的真空条件中静置处理1h。
作为优选，步骤(2)中，固化温度为70～80℃，时间为2～3h。
本发明的优势在于：
本发明以聚二甲基硅氧烷作为基体材料，基于电场诱导手段，通过严格的电场参数调控协同适量的碳纳米管导电粒子，使得复合材料中的碳纳米管导电粒子均匀有序的分布于聚二甲基硅氧烷基体中，形成连续紧密的导电网络，在保证复合材料的可加工性和力学性能的基础上，还具有高的导电性能。
本发明制得的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料具有良好的导电性和机械性能(应变最大能达到93.8％)，属于柔性导电材料，可应用于柔性电子，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明使用的模具的结构示意图，其中，01为底座、02为负电级板、03为后支架、04为前支架、05为正电极板、06为模具支座；
图2是实施例2、对比例1和对比例3制得的复合材料的应力应变曲线图；
图3是实施例2制得的复合材料的应力与伸长率关系图(a)及传感器的电阻变化率与时间的关系图(b)；
图4是对比例1制得的复合材料的应力与伸长率关系图(a)及传感器的电阻变化率与时间的关系图(b)；
图5是不同电场诱导时间下的碳纳米管在聚二甲基硅氧烷基体中的分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步阐述。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，基于本发明的原理对本发明所做出的各种改动或修改同样落入本发明权利要求书所限定的范围。
如图1所示，为本发明使用的模具的结构示意图，其中，01为底座、02为负电极板、03为后支架、04为前支架、05为正电极板、06为模具支座；所述底座、后支架、前支架和模具支座均为3D打印材料，例如聚酰胺。
实施例1
(1)将碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按照质量比为1：45混合，再加入2.5倍碳纳米管质量的异丙醇，经超声和搅拌，得到悬浮分散液，然后置于保温箱中，于90℃下保温1h；
(2)称取4.5倍碳纳米管质量的乙基苯，加入至悬浮分散液中，经超声和搅拌后浇筑至模具中，再将浇筑后的模具置于压强为1200Pa的真空条件中静置脱泡处理1h，随后置于1800V/cm的电场中静置20min，70°恒温下固化2h，脱模即得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料。
对本实施例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到1500kΩ，即电导率最大为5.14×10-4S/m；应变最大能达到64.5％。
实施例2
(1)将碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按照质量比为1：30混合，再加入2.0倍碳纳米管质量的异丙醇，经超声和搅拌，得到悬浮分散液，然后置于保温箱中，于90℃下保温1h；
(2)称取3倍碳纳米管质量的乙基苯，加入至悬浮分散液中，经超声和搅拌后浇筑至模具中，再将浇筑后的模具置于压强为1200Pa的真空条件中静置脱泡处理1h，随后置于1800V/cm的电场中静置20min，70°恒温下固化2h，脱模即得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料。
对本实施例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到300kΩ，即电导率最大为2.56×10-3S/m；应变最大能达到93.8％。
对本实施例制得的复合材料组装的柔性应变传感器进行性能检测，得到其应力与伸长率关系及传感器的电阻变化率与时间的关系的示意图，如图3所示。最终制得的柔性应变传感器在最大伸长率为2.7％的条件下的敏感系数为68.4，在伸长率从0到2.7％之间进行循环拉伸、总测试时间为500s且循环次数为10的条件下，敏感系数的标准偏差为5.8％。
实施例3
(1)将碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按照质量比为1：20混合，再加入1.5倍碳纳米管质量的异丙醇，经超声和搅拌，得到悬浮分散液，然后置于保温箱中，于90℃下保温1h；
(2)称取2倍碳纳米管质量的乙基苯，加入至悬浮分散液中，经超声和搅拌后浇筑至模具中，再将浇筑后的模具置于压强为1200Pa的真空条件中静置脱泡处理1h，随后置于1800V/cm的电场中静置20min，70°恒温下固化2h，脱模即得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料。
对本实施例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到50kΩ，即电导率最大为1.54×10-2S/m；应变最大能达到53.8％。
对比例1
同实施例2，区别仅在于，脱泡处理后不经电场静置直接进行固化。
对本对比例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到1500kΩ，即电导率最大为5.13×10-4S/m；应变最大为68.5％。
对本对比例制得的复合材料组装的柔性应变传感器进行性能检测，得到其应力与伸长率关系及传感器的电阻变化率与时间的关系的示意图，如图4所示。最终制得的柔性应变传感器在最大伸长率为1.89％的条件下的敏感系数为5.2，在伸长率从0到1.89％之间进行循环拉伸、总测试时间为500s且循环次数为10的条件下，敏感系数的标准偏差为17.6％。
对比例2
同实施例2，区别仅在于，电场静置时间为10min。
对本对比例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到1300kΩ，即电导率最大为5.92×10-4S/m；应变最大为69.6％。
对比例3
同实施例2，区别仅在于，电场静置时间为30min。
对本对比例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到1200kΩ，即电导率最大为6.41×10-4S/m；应变最大为71.3％。
从实施例2、对比例1、对比例2和对比例3可以看出，电场诱导使得碳纳米管有规律地分布在聚二甲基硅氧烷基体中，形成导电通路从而提升导电性能(图5b)。其中，对比例1由于没有在电场中静置，所以碳纳米管无序排列在聚二甲基硅氧烷基体中，形成无规律导电通路(图5a)；对比例2由于在电场中静置时间过短，碳纳米管仅部分规律分布(图5c)；对比例3由于在电场中静置时间过长，会导致碳纳米管散至电极正极一端，无法形成导电通路(图5d)。
对比例4
同实施例2，区别仅在于，电场强度为1200V/cm。
对本对比例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到750kΩ，即电导率最大为1.03×10-3S/m；应变最大能达到63.6％。
对比例5
同实施例2，区别仅在于，电场强度为2400V/cm。
对本对比例制得的复合材料进行电导率和机械性能测试，结果表明复合材料的初始电阻最小能达到400kΩ，即电导率最大为1.92×10-3S/m；应变最大能达到59.8％。
综上所述，本发明的制备过程中，必须严格控制电场强度、静置时间以及碳纳米管添加量，只有在三者协同的基础上，才能使得复合材料中的碳纳米管导电粒子均匀有序的分布于聚二甲基硅氧烷基体中，形成连续紧密的导电网络，在保证复合材料的可加工性和力学性能的基础上，还具有高的导电性能。

Claims (8)

1.一种碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将聚二甲基硅氧烷与碳纳米管按照质量比为20~45：1混合，加入稀释剂，经超声和搅拌得到悬浮分散液，然后置于保温箱中脱除稀释剂备用；
（2）将固化剂加入至悬浮分散液中，经超声和搅拌后浇筑至模具中，再经脱泡处理后置于1800V/cm的电场中静置20min，最后固化、脱模即可。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷与碳纳米管的质量比为30：1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述稀释剂为异丙醇、二环氧丙烷乙基醚、环氧丙烷丁基醚和环氧丙烷苯基醚中的一种或多种，其添加量为碳纳米管质量的1.5~2.5倍。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，保温箱中温度为90~100℃，时间为1~2h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述固化剂为乙基苯，其添加量为碳纳米管质量的2.0~4.5倍。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述模具由底座、负电极板、后支架、前支架、正电极板和模具支座组成，所述底座、后支架、前支架和模具支座均为3D打印材料。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述脱泡处理是指将浇筑后的模具置于压强为1200Pa的真空条件中静置处理1h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，固化温度为70~80℃，时间为2~3h。
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