CN114525002B - 一种液态金属功能复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属功能复合薄膜及其制备方法，该薄膜结构上包括厚度80‑120μm的聚合物高分子层，在所述聚合物高分子层的其中一个面至距离该表面20‑40μm的厚度层内镶嵌有多个呈液滴状的液态金属，所述液滴状的粒径为500nm‑2μm，所述液态金属在复合薄膜中的含量为30‑60wt％。该复合薄膜的制备步骤包括：将液态金属分散在高分子前驱体溶液中；将分散液进行成膜处理制得液态金属功能复合薄膜。本发明制得的复合薄膜同时具有优异的光热转化性能和电磁屏蔽性能，且能够通过拉伸调控其屏蔽性能，制备方法简单高效，可广泛应用于通讯基站、电子器件热管理等领域。

Description

一种液态金属功能复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于功能复合薄膜领域，尤其涉及一种液态金属功能复合薄膜及其制备方法。
背景技术
近年来，电子器件的发展呈现高密度化、高集成度的发展趋势。在低温寒冷地区使用电子设备时，既要解决因温度过低，影响电子元器件的电器性能、稳定性能，甚至导致电子元器件工作异常或者失效等问题，具有光热转换性能的薄膜能够保证器件在适宜温度下运行；同时，要尽量减少不同电子元器件间的电磁干扰，具有电磁屏蔽性能的薄膜能够保证其正常工作，因此光热转换与电磁屏蔽一体化的功能薄膜的开发对寒冷地区的设备运行是非常必要的。
目前光热薄膜和屏蔽薄膜分别有报道，但集成两种性能的复合薄膜尚未见报道。现有的能集成光热转换和电磁屏蔽性能的薄膜技术方案包括，向薄膜中加入贵金属颗粒，如金纳米粒子、银纳米粒子等，或向薄膜中加入碳材料，如石墨烯、碳纳米管等，但贵金属复合薄膜制造成本高，碳基复合薄膜工艺复杂，而且这两种方案都无法满足当下柔性电子的发展趋势，在形变后相关性能都会发生下降。液态金属作为一种新兴材料，能够通过物理与化学方法与聚合物基体结合，赋予复合材料不同功能特性。中国专利文献CN111070833A公开了一种高导热电磁屏蔽复合材料及其制备方法，向聚合物基体中加入片状导热填料和液态金属填料，赋予聚合物导热及电磁屏蔽性能，但该发明方案无法赋予复合材料光热转化性能，且屏蔽性能在拉伸后不会或者下降。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种液态金属功能复合薄膜，本发明的液态金属功能复合薄膜能够在低温地区使用的，具备良好的集成光热转换性能和电磁屏蔽性能，且屏蔽性能在拉伸后会进一步上升。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种液态金属功能复合薄膜，包括厚度80-120μm的聚合物高分子层，在所述聚合物高分子层的其中一个面至距离该表面20-40μm的厚度层内镶嵌有多个呈液滴状的液态金属，液滴状的粒径为500nm-2μm，所述液态金属在复合薄膜中的含量为30-60wt％。
作为液态金属功能复合薄膜进一步的改进：
优选的，所述聚合物高分子层的材质为聚乙烯醇、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺中的一种或两种及以上的组合。
优选的，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或两种及以上的组合。
本发明的目的之二是提供一种上述液态金属功能复合薄膜的制备方法，其包括如下步骤：
S1、将液态金属和液态金属表面改性剂加入到聚合物溶液或聚合物前驱体溶液中并进行分散，制成1wt％-5wt％的液态金属分散液；
S2、通过制膜方式将液态金属分散液制成薄膜，然后将薄膜在25℃-100℃下蒸发8h-24h，固化后制得液态金属功能复合薄膜。
作为上述液态金属功能复合薄膜的制备方法进一步的改进：
优选的，所述液态金属表面改性剂为海藻酸盐、硅烷偶联剂、单层石墨烯、单层氮化硼中的一种或两种及以上的组合。
优选的，所述液态金属和液态金属表面改性剂通过超声进行分散，超声分散的功率为5GHz-8GHz，时间为3min-6min。
优选的，步骤S2中所述制膜方式为喷涂、旋涂、平板流延中的一种或两种及以上。
本发明相比现有技术的有益效果在于：
(1)与传统光热材料对比，液态金属用作填料比贵金属纳米颗粒填料拥有成本更低的优势；而与碳材料相比，液态金属复合薄膜的制造工艺更加简单；通过超声或者其他分散方式可以一步制得表面改性的液态金属-高分子溶液或表面改性的液态金属-高分子前驱体溶液，液态金属填料在分散后以液滴形式存在于复合薄膜中，液态金属表面改性剂与液态金属配位形成核壳结构，帮助液态金属在聚合物溶液或聚合物前驱体溶液中分散，同时提高复合薄膜光热性能。制备工艺成本低，方法简单，功能可调，有利于批量生产。
(2)与传统电磁屏蔽材料相比，本发明分层结构的设计，一侧致密的高分子层赋予薄膜更好的力学性能，一侧液态金属-高分子复合层则发挥了液态金属功能复合薄膜的优势，即在一定拉伸比范围内拉伸后屏蔽性能上升，应变范围为1％-150％，解决了单层液态金属高分子复合薄膜力学性能差、断裂伸长率低的问题，能够满足当下柔性电子发展对材料灵活性的需求。
(3)通过控制超声功率与超声时间精准控制液态金属液滴的粒径分布，赋予功能薄膜优异的光热性能与屏蔽性能，同时能够保证功能薄膜的电磁屏蔽性能为10dB以上，透明度为50％-75％，在实际使用时能实时监控电子设备工作状态，满足多功能集成需求。
附图说明
图1为实施例3制得的功能薄膜的扫描电镜(SEM)图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
对比例
一种聚乙烯醇薄膜的制备方法，包括以下几个步骤：
(1)称取5g聚乙烯醇粉末，加入盛有100ml去离子水的烧杯中，95℃油浴加热2h，制得聚乙烯醇水溶液；
(2)将聚乙烯醇水溶液导入准备好的50mm×50mm×4mm的模具中，在平板流延后，室温25℃下溶剂蒸发24h，固化后制得聚乙烯醇薄膜。
实施例1
一种液态金属功能复合薄膜的制备方法，包括以下几个步骤：
(1)称取5g聚乙烯醇粉末，0.2g海藻酸钠作为表面改性剂，加入盛有100ml去离子水的烧杯中，95℃油浴加热2h，制得聚乙烯醇-海藻酸钠水溶液。
(2)称取3g镓铟合金，加入制得的聚乙烯醇-海藻酸钠水溶液，在6KHz下超声5min，形成海藻酸钠包裹的液态金属液滴，获得液态金属-聚乙烯醇溶液。
(3)将液态金属-聚乙烯醇溶液导入准备好的50mm×50mm×4mm的模具中，在平板流延后，室温25℃下溶剂蒸发24h，固化后制得液态金属功能薄膜1。
实施例2
本实施例的液态金属功能薄膜的制备方法参考实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中“称取4g镓铟合金”，制得液态金属功能薄膜3。
实施例3
本实施例的液态金属功能薄膜的制备方法参考实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中“称取5g镓铟合金”，制得液态金属功能薄膜3。
实施例4
本实施例的液态金属功能薄膜的制备方法参考实施例3，不同之处仅在于步骤(2)中在“在6KHz下超声3min”，制得液态金属功能薄膜4。
实施例5
本实施例的液态金属功能薄膜的制备方法参考实施例3，不同之处仅在于步骤(2)中在“在8KHz下超声5min”，制得液态金属功能薄膜4。
将对比例制得的聚乙烯醇薄膜和实施例1-5所制得的液态金属功能薄膜进行光热转化性能和屏蔽效能的测试。光热转化性能测试方法为在一个标准太阳光强度下，照射样品5min后，使用红外温度计测试样品的温度。并分别测试样品在原始状态下和拉伸1％、50％、100％和150％后的电磁屏蔽性能。结果如表1所示：
表1实施例1、2、3光照后温度及屏蔽效能
由表1的数据可知，液态金属的加入赋予了复合薄膜光热转换和电磁屏蔽性能，且随着液态金属的填充量从37.5wt％增加到50wt％，功能复合薄膜的光热转换性能和电磁屏蔽性能都逐步增加，这是因为更多的液态金属粒子提供了更多的光热转换位点和电磁屏蔽屏障。在1％-150％应变范围内，拉升后的复合薄膜电磁屏蔽性能进一步上升，这是由于液态金属具有液态的特性，在拉升后液滴由球体变为椭球体，入射波在薄膜中的多次反射增加，电磁波更多的耗散在薄膜中。可以通过改变液态金属的填充量，调节功能复合薄膜的光热和屏蔽效能，满足不同应用需求。测试了对比例和实施例1、2、3的透明度，对比例聚乙烯醇薄膜在无填充的情况下，透明度为80.1％，而随着液态金属填充量的增加，复合薄膜的透明度分别为68.6％、61.3％和52.5％，仍然保持一定透明性，在实际使用时既可以提供光热转换性能保障设备工作温度，又可以提供电磁屏蔽性能保证设备不受干扰，还可以实时观察设备的运转情况。
通过实施例3-5在不同超声频率和/或超声时间下复合薄膜光热转换和电磁屏蔽性能的区别可知，可以通过调节超声功率与超声时间控制液态金属粒径的粒径分布，制得不同光热性能与屏蔽性能的复合薄膜，更大的超声功率与更长的超声时间会使液态金属液滴的粒径更小，这会使复合薄膜的光热转化性能提升，透明度增加，但电磁屏蔽会有所下降，因此可以通过控制超声功率与超声时间，定性调控复合薄膜的相关功能性，满足不同应用需求。
本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种液态金属功能复合薄膜的制备方法，其特征在于，该液态金属功能复合薄膜包括厚度80-120μm的聚合物高分子层，在所述聚合物高分子层的其中一个面至距离该表面20-40μm的厚度层内镶嵌有多个呈液滴状的液态金属，液滴状的粒径为500nm-2μm，所述液态金属在复合薄膜中的含量为30-60wt％；
所述聚合物高分子层的材质为聚乙烯醇；
制备方法的具体步骤如下：
S1、将液态金属和液态金属表面改性剂加入到聚合物溶液或聚合物前驱体溶液中并进行分散，制成1wt％-5wt％的液态金属分散液；所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或两种及以上的组合；
S2、通过制膜方式将液态金属分散液制成薄膜，然后将薄膜在25℃-100℃下蒸发8h-24h，固化后制得液态金属功能复合薄膜；
所述液态金属表面改性剂为海藻酸盐；
所述液态金属和液态金属表面改性剂通过超声进行分散，超声分散的功率为5GHz-8GHz，时间为3min-6min。
2.依据权利要求1所述的一种液态金属功能复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述制膜方式为喷涂、旋涂、平板流延中的一种或两种及以上。
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