CN113851252A - 一种复合导电剂及其制备方法、导电涂布材料的制备方法 - Google Patents
一种复合导电剂及其制备方法、导电涂布材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种复合导电剂及其制备方法、导电涂布材料的制备方法,该复合导电剂的制备方法,包括以下步骤:将生物质炭源加入至金属盐溶液中,搅拌后,再加入碳材料得到混合液;将混合液进行喷雾干燥后煅烧。本发明的复合导电剂的制备方法,生物质炭源如橘皮在惰性气体氛围下经高温碳化处理成为单质碳,一部分碳用于将金属盐还原成纳米金属单质,起到增强材料导电性的作用,另一部分碳将还原到碳材料表面或内部的纳米金属单质包覆起来,避免其在空气中的缓慢氧化而失去导电性;本发明开创性的利用生物质炭材料还原金属纳米粒子,一方面降低了生产成本,另一方面也通过其表面作用力限制金属纳米的成长,从而制得纳米级粒子。
Description
技术领域
本发明涉及导电材料技术领域,尤其涉及一种复合导电剂及其制备方法、导电涂布材料的制备方法。
背景技术
近二十年来,电子纺织品,包括导电纺织品,由于其在生物医学器件、传感与驱动、数据处理与通信、能量转换与存储、电磁屏蔽等方面的广泛应用,受到了许多研究者的关注。电导率是智能和电子纺织品的主要要求,此外,还要求轻便性、灵活性和易用性。棉织物等纺织材料的导电性非常低,典型的表面电阻率为107-1016Ω/m2,可视为低导电性材料。因此,纺织材料的制造可以成为材料科学领域的一个研究方向。
目前有几种方法可以使纺织材料导电。传统的方法是使用金属掺杂纺织纤维的形式取代金属纤维,这种掺杂金属丝比传统纺织纤维重、更难加工且成本高。此外,金属在合成纤维的过程中对环境的影响很大,对金属的处理具有污染作用。在纺织纤维和织物上涂或电镀金属也被用作另一种选择,但这种方法制造成本或加工工艺复杂,不利于工业化生产。此外,现有技术中使用石墨烯、炭黑、碳纳米管等不同的碳同素异形体来增强织物的导电性。碳基涂层的电导率取决于碳的纯度、添加量、分散度,但事实上通过制备本征聚合物导电材料在保证原有力学性能的基础上很难使得纺织物的电导率满足目前的需求。
基于目前的金属导电材料成本高和炭黑材料导电性相对差的问题,有必要提供一种新的导电材料以满足导电纺织布的使用要求。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种复合导电剂及其制备方法、导电涂布材料的制备方法,以解决或部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面,本发明提供了一种复合导电剂的制备方法,包括以下步骤:
将生物质炭源加入至金属盐溶液中,搅拌后,再加入碳材料得到混合液;
将混合液进行喷雾干燥;
将喷雾干燥后的产物于惰性气体氛围下煅烧即得复合导电剂。
优选的是,所述的所述的复合导电剂的制备方法,所述生物质炭源为橘皮;
和/或,所述金属盐包括铝盐、铜盐、铁盐、银盐中的至少一种;
和/或,所述碳材料包括石墨烯、炭黑、碳纳米管、乙炔黑中的至少一种。
优选的是,所述的所述的复合导电剂的制备方法,所述煅烧工艺为:煅烧温度为400~1000℃、煅烧时间为3~15h。
优选的是,所述的所述的复合导电剂的制备方法,将生物质炭源加入至金属盐溶液中之前还包括将生物质炭源置于碱液中浸泡20~30h,再经过干燥后研磨。
优选的是,所述的所述的复合导电剂的制备方法,所述金属盐、碳材料的摩尔比为(1~4):(10~40);所述生物质炭源质量为金属盐溶液质量的30~100%。
优选的是,所述的所述的复合导电剂的制备方法,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为100~300℃、出料温度为100~200℃、喷雾干燥后的产物的粒径为1~50um。
优选的是,所述的所述的复合导电剂的制备方法,所述碱液的质量浓度为5~10%。
第二方面,本发明还提供了一种复合导电剂,采用所述的制备方法制备得到。
第三方面,本发明还提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
将所述的复合导电剂加入至涂料中,经过刮涂即可制备得到导电涂布材料。
优选的是,所述的导电涂布材料的制备方法,所述涂料包括聚氨酯涂料;
所述刮涂工艺具体为:涂布厚度为20~40μm、涂布速度为10~40m/min、涂布温度为140~170℃。
本发明的一种复合导电剂及其制备方法、导电涂布材料的制备方法相对于现有技术具有以下有益效果:
(1)本发明的复合导电剂的制备方法,通过将生物质炭源加入至金属盐溶液,然后加入碳材料,经过喷雾干燥后然后于高温煅烧后即得复合导电剂,生物质炭源如橘皮在惰性气体氛围下经高温碳化处理成为单质碳,一部分碳用于将金属盐还原成纳米金属单质,起到增强材料导电性的作用,另一部分碳将还原到碳材料表面或内部的纳米金属单质包覆起来,避免其在空气中的缓慢氧化而失去导电性;本发明开创性的利用生物质炭材料还原金属纳米粒子,一方面降低了生产成本,另一方面也通过其表面作用力限制金属纳米的成长,从而制得纳米级粒子。此外,金属盐溶液渗透或吸附到碳材料内部和表面,对碳材料的改性也更加均匀。因此,该发明具有较高的现实意义和应用价值;
(2)本发明的导电涂布材料的制备方法,利用本申请制备得到的复合导电剂制备得到,其相比金属作为导电剂,一方面节约生产成本、改善了金属粒子在涂料体系中的分散性;另一方面也通过金属/碳结构提高电子沿着导电剂间传递的速度,进而提高了涂布材料的电导率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的制备得到的复合导电剂的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种复合导电剂的制备方法,包括以下步骤:
S11、将生物质炭源加入至金属盐溶液中,搅拌后,再加入碳材料得到混合液;
S12、将混合液进行喷雾干燥;
S13、将喷雾干燥后的产物于惰性气体氛围下煅烧即得复合导电剂。
在一些实施例中,生物质炭源为橘皮;
和/或,金属盐包括铝盐、铜盐、铁盐、银盐中的至少一种;
和/或,碳材料包括石墨烯、炭黑、碳纳米管、乙炔黑中的至少一种。
需要说明的是,本申请实施例中橘皮为成熟橘子的果皮,生物质炭源除了橘皮还可采用稻草、甘蔗渣废木屑等,金属盐采用铝盐、铜盐、铁盐、银盐等,具体的铝盐可为碳酸铝,铜盐可为碳酸铜,铁盐可为氢氧化铁,银盐可为碳酸银。
在一些实施例中,煅烧工艺为:煅烧温度为400~1000℃、煅烧时间为3~6h。
在一些实施例中,将生物质炭源加入至金属盐溶液中之前还包括将生物质炭源置于碱液中浸泡20~30h,再经过干燥后研磨。
在一些实施例中,金属盐、碳材料的摩尔比为(1~4):(10~40);生物质炭源质量为金属盐溶液质量的30~100%。
在一些实施例中,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为100~300℃、出料温度为100~200℃、喷雾干燥后的产物的粒径为1~50um。
在一些实施例中,碱液的质量浓度为5~10%。具体的,碱液可采用氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
在一些实施例中,惰性气体包括氮气、氩气、氨气、氢气中的一种或几种。
本申请的复合导电剂的制备方法,通过将生物质炭源加入至金属盐溶液,然后加入碳材料,经过喷雾干燥后然后于高温煅烧后即得复合导电剂,生物质炭源如橘皮在惰性气体氛围下经高温碳化处理成为单质碳,一部分碳用于将金属盐还原成纳米金属单质,起到增强材料导电性的作用,另一部分碳将还原到碳材料表面或内部的纳米金属单质包覆起来,避免其在空气中的缓慢氧化而失去导电性;因此,本发明的复合导电剂明显区别于传统碳材料与金属物理混合的方法。本发明开创性的利用生物质炭材料还原金属纳米粒子,一方面降低了生产成本,另一方面也通过其表面作用力限制金属纳米的成长,从而制得纳米级粒子。此外,金属盐溶液渗透或吸附到碳材料内部和表面,对碳材料的改性也更加均匀。因此,该发明具有较高的现实意义和应用价值。
基于同一发明构思,本发明还提供了一种复合导电剂,采用上述的制备方法制备得到。
具体的,本申请的复合导电剂的结构示意图如图1所示。图1中1为单质碳、2为碳材料、3为纳米金属单质。本发明提供了一种复合导电剂材料,其不仅可以应用在纺织材料领域,还可以在线材、板材领域甚至是薄膜领域中应用。
基于同一发明构思,本发明还提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
将上述的复合导电剂加入至涂料中,经过刮涂即可制备得到导电涂布材料。
在一些实施例中,涂料包括聚氨酯涂料;
刮涂工艺具体为:涂布厚度为20~40μm、涂布速度为10~40m/min、涂布温度为140~170℃。
在一些实施例中,将上述的复合导电剂加入至涂料中,还加入钛酸酯偶联剂。
在一些实施例中,复合导电剂、涂料以及钛酸酯偶联剂的质量比为(10~15):(90~110):(0.5~2)。
在一些实施例中,将复合导电剂加入至聚氨酯涂料中,再加入钛酸酯偶联剂,搅拌均匀后,真空处理,脱去涂料中的气泡;再将真空处理后的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,即得导电涂布材料。
本申请的导电涂布材料的制备方法,利用本申请制备得到的复合导电剂制备得到,其相比金属作为导电剂,一方面节约生产成本、改善了金属粒子在涂料体系中的分散性;另一方面也通过金属/碳结构提高电子沿着导电剂间传递的速度,进而提高了涂布材料的电导率。
以下进一步说明本申请的复合导电剂的制备方法的制备方法以及共混薄膜的制备方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种复合导电剂的制备方法的制备方法,包括以下步骤:
S11、将重量份为10份的橘皮加入至重量份为100份的质量分数为7%的氢氧化钠溶液中浸泡24h,捞出橘皮沥干水分,再以80℃温度干燥处理10h,最后研磨成粉;
S12、将重量份为1份的碳酸铜溶解到重量份为100份水中,再加入重量份为15份乙炔黑,再加入S11制得的橘皮1.5份,搅拌均匀,经喷雾干燥得到微米级颗粒;其中,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为200℃、出料温度为150℃、喷雾干燥后的产物的粒径为30μm;
S13:将S12制得的颗粒在N2气体氛围下500℃高温煅烧5h,即得复合导电剂。
本申请实施例还提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为10份上述制备方法制备得到的复合导电剂加入至重量份为100份的单组分水性聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌20min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为10m/min、涂布温度为140℃、涂布厚度为35μm;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
实施例2
本申请实施例提供了一种复合导电剂的制备方法的制备方法,包括以下步骤:
S11、将重量份为10份的橘皮加入至重量份为100份的质量分数为7%的氢氧化钾溶液中浸泡24h,捞出橘皮沥干水分,再以100℃温度干燥处理5h,最后研磨成粉;
S12、将重量份为1份的碳酸铝溶解到重量份为100份水中,再加入重量份为10份碳纳米管,再加入S11制得的橘皮1份,搅拌均匀,经喷雾干燥得到微米级颗粒;其中,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为200℃、出料温度为150℃、喷雾干燥后的产物的粒径为30μm;
S13:将S12制得的颗粒在Ar气体氛围下600℃高温煅烧4h,即得复合导电剂。
本申请实施例还提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为11份上述制备方法制备得到的复合导电剂加入至重量份为100份的单组分聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌30min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为15m/min、涂布温度为150℃、涂布厚度为25μm;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
实施例3
本申请实施例提供了一种复合导电剂的制备方法的制备方法,包括以下步骤:
S11、将重量份为10份的橘皮加入至重量份为100份的质量分数为8%的氢氧化钾溶液中浸泡20h,捞出橘皮沥干水分,再以90℃温度干燥处理8h,最后研磨成粉;
S12、将重量份为1份的氢氧化铁溶解到重量份为100份水中,再加入重量份为11份碳纳米管,再加入S11制得的橘皮1份,搅拌均匀,经喷雾干燥得到微米级颗粒;其中,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为200℃、出料温度为150℃、喷雾干燥后的产物的粒径为30μm;
S13:将S12制得的颗粒在Ar气体氛围下400℃高温煅烧4h,即得复合导电剂。
本申请实施例还提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为10份上述制备方法制备得到的复合导电剂加入至重量份为100份的单组分聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌30min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为15m/min、涂布温度为170℃、涂布厚度为30μm;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
实施例4
本申请实施例提供了一种复合导电剂的制备方法的制备方法,包括以下步骤:
S11、将重量份为10份的橘皮加入至重量份为100份的质量分数为8%的氢氧化钾溶液中浸泡20h,捞出橘皮沥干水分,再以90℃温度干燥处理8h,最后研磨成粉;
S12、将重量份为1份的碳酸银溶解到重量份为100份水中,再加入重量份为11份乙炔黑,再加入S11制得的橘皮1份,搅拌均匀,经喷雾干燥得到微米级颗粒;其中,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为200℃、出料温度为150℃、喷雾干燥后的产物的粒径为30μm;
S13:将S12制得的颗粒在Ar气体氛围下800℃高温煅烧4h,即得复合导电剂。
本申请实施例还提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为10份上述制备方法制备得到的复合导电剂加入至重量份为100份的单组分聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌30min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为35m/min、涂布温度为165℃、涂布厚度为20μm;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
对比例1
本对比例提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为10份的乙炔黑导电剂加入至重量份为100份的单组分聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌30min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为10m/min、涂布温度为140℃、涂布厚度为35μm;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
对比例2
本对比例提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为10份的碳纳米管导电剂加入至重量份为100份的单组分聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌30min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为15m/min、涂布温度为150℃、涂布厚度为25μm;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
对比例3
本对比例提供了一种导电涂布材料的制备方法,包括以下步骤:
S21、将重量份为10份的石墨烯导电剂加入至重量份为100份的单组分聚氨酯涂料体系中,再加入重量份为1份的钛酸酯偶联剂,搅拌30min,真空处理,脱去涂料中的气泡;
S22、将S21中的涂料利用涂布机涂布到聚酯布上,得到导电涂布材料;其中涂布工艺为:涂布速度为15m/min、涂布温度为170℃、涂布厚度为30m;
其中,单组分水性聚氨酯涂料购买自安徽安大华泰新材料有限公司,具体型号为AH-1502E13。
性能测试
测试实施例1~4以及对比例1~3中制备得到的导电涂布材料的耐磨损性(3min摩擦)、电阻率以及增重率,结果如下表1所示。
表1-不同实施例制备得到的导电涂布材料的性能
表1中,增重指的是:制备得到的导电涂布材料相比原始的聚酯布的增重百分比;失重率是相对于摩擦之前导电涂布材料的失重质量百分比。
从表1可以看到,本发明所提供的高导电涂布材料具有较低的电阻率,且增重幅度均小于15%,在3min摩擦实验中失重率均小于5%,说明其在智能和电子纺织品领域将会有广阔的应用前景。
上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合导电剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将生物质炭源加入至金属盐溶液中,搅拌后,再加入碳材料得到混合液;
将混合液进行喷雾干燥;
将喷雾干燥后的产物于惰性气体氛围下煅烧即得复合导电剂。
2.如权利要求1所述的复合导电剂的制备方法,其特征在于,所述生物质炭源为橘皮;
和/或,所述金属盐包括铝盐、铜盐、铁盐、银盐中的至少一种;
和/或,所述碳材料包括石墨烯、炭黑、碳纳米管、乙炔黑中的至少一种。
3.如权利要求1所述的复合导电剂的制备方法,其特征在于,所述煅烧工艺为:煅烧温度为400~1000℃、煅烧时间为3~15h。
4.如权利要求1所述的复合导电剂的制备方法,其特征在于,将生物质炭源加入至金属盐溶液中之前还包括将生物质炭源置于碱液中浸泡20~30h,再经过干燥后研磨。
5.如权利要求1所述的复合导电剂的制备方法,其特征在于,所述金属盐、碳材料的摩尔比为(1~4):(10~40);所述生物质炭源质量为金属盐溶液质量的30~100%。
6.如权利要求1所述的复合导电剂的制备方法,其特征在于,喷雾干燥的具体工艺为:进料温度为100~300℃、出料温度为100~200℃、喷雾干燥后的产物的粒径为1~50um。
7.如权利要求4所述的复合导电剂的制备方法,其特征在于,所述碱液的质量浓度为5~10%。
8.一种复合导电剂,其特征在于,采用如权利要求1~7任一所述的制备方法制备得到。
9.一种导电涂布材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将权利要求8所述的复合导电剂加入至涂料中,经过刮涂即可制备得到导电涂布材料。
10.如权利要求9所述的导电涂布材料的制备方法,其特征在于,所述涂料包括聚氨酯涂料;
所述刮涂工艺具体为:涂布厚度为20~40μm、涂布速度为10~40m/min、涂布温度为140~170℃。
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