一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料及其制备方法，通过以下方法制备：将液态金属制成微纳颗粒/溶剂分散液，将表面改性后的海绵浸渍到分散液中，取出海绵/分散液复合物烘干分散剂，分散剂挥发后将包覆在海绵骨架表面的液态金属进行激光烧结或压力烧结制成所述可拉伸导电复合材料。本发明专利技术解决了传统可拉伸导电复合材料中纳米导电填料不能适应大形变的问题；共混型液态金属可拉伸导电复合材料液态金属用量大，导电性能差，难以大规模应用的问题；填充型液态金属可拉伸导电复合材料液态金属与基体缺乏界面设计容易溢出的问题。采用本发明专利技术的制备方法可以得到高导电、高导电稳定性、低液态金属用量的可拉伸导电复合材料。电复合材料。电复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性导电材料领域，具体涉及一种可拉伸导电复合材料，尤其是一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着可穿戴领域的发展，如可折叠和卷曲屏幕、柔性机器人、柔性传感器和柔性能量转换器等柔性电子产品对柔性导体有着更高的要求。开发耐大形变、低导电组分用量且高电导率的高性能可拉伸导体成为关键任务之一。将纳米导电填料与弹性体预制三维网络复合容易制备出性能良好的可拉伸导体而受到越来越多的青睐，常见的纳米导电填料有：导电炭黑(CB)、石墨烯、碳纳米管、金属纳米线和纳米粒子等。虽然这些导电材料和弹性体预制三维网络复合后可以降低导电填料的用量提高导电性能，但是由于复合材料中的纳米填料在大形变下会导致纳米填料之间的空隙增加从而使导电通路失效，最终导致可拉伸导电复合材料的使用寿命极大的缩短，限制了其在可拉伸导电领域的应用。
[0003]镓基液态金属合金，例如镓铟合金(EGaIn)和镓铟锡合金(Galinstan)，是无毒的液态金属(LM)，具有低熔点(MP＝15℃)，高电导率(σ＝3.4
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106S m-1
)，低粘度(η＝2mPa s)的特性。近年来，为了解决纳米导电填料不能适应大形变的问题，人们将液态金属运用到可拉伸导体中。Zhou等人(Liquid Metal Sponges for Mechanically-Durable,All-Soft,Electrical Conductors.J.Mater.Chem.C 2016,5(7),1586-1590)提出一种将液态金属注入预制聚二甲基硅氧烷橡胶海绵中的通道中的方法来制备可拉伸导电材料，但是这种方法液态金属与基体缺乏界面设计且容易溢出，不利于应用推广。中国专利CN108198665A“一种弹性导体的制备方法”中，提出一种将液态金属与弹性体共混制备可拉伸导体的方法，但是这种方法使用大量昂贵的液态金属而且导电性能较差，从而难以使其大规模的应用。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料及其制备方法，该可拉伸导电复合材料，由液态金属层和弹性体海绵复合而成；其中，液态金属层由液态金属微纳颗粒烧结而成，其解决的技术问题是：(1)传统可拉伸导电复合材料中纳米导电填料不能适应大形变的问题；(2)共混型液态金属可拉伸导电复合材料液态金属用量大，导电性能差，难以大规模应用的问题；(3)填充型液态金属可拉伸导电复合材料液态金属与基体缺乏界面设计，容易溢出的问题。
[0005]本专利技术的目的之一是提供一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料。
[0006]本专利技术提供的基于液态金属的可拉伸导电复合材料，包括液态金属层和弹性体海绵基体，液态金属层分布在弹性体海绵骨架表面；以弹性体海绵表观体积来计，液态金属层的体积百分数为0.5％～15％，优选8％～14％；
[0007]其中，液态金属为熔点低于25℃的低共熔点合金，优选镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或两种；弹性体海绵的孔隙率为45％～95％，优选50％～90％；
[0008]可拉伸导电复合材料中液态金属层由液态金属微纳颗粒烧结而成；
[0009]弹性体海绵为聚多巴胺表面改性的弹性体海绵，优选聚多巴胺表面改性的聚二甲基硅氧烷海绵、聚氨酯海绵或胶乳海绵中的一种或多种。聚多巴胺改性后，使海绵与液态金属结合更为紧密，液态金属包覆更加均匀且减少泄露，导电性能更好。
[0010]本专利技术的目的之二是提供一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料的制备方法。
[0011]本专利技术提供的制备方法包括：将所述液态金属制成液态金属微纳颗粒分散液，将弹性体海绵浸渍到上述分散液中，取出弹性体海绵/分散液复合物烘干后进行压力烧结或激光烧结得到所述可拉伸导电复合材料。上述制备方法具体包含以下步骤：
[0012]步骤1、将上述液态金属加入分散剂中，超声粉碎后加入巯基化合物，混合形成液态金属微纳颗粒分散液；
[0013]步骤2、将弹性体海绵置于溶解有多巴胺的缓冲溶液中在室温下充分浸渍，得到聚多巴胺改性的弹性体海绵；
[0014]步骤3、将步骤2得到的改性弹性体海绵在室温下浸渍到步骤1制得的液态金属微纳颗粒分散液中，充分浸渍后干燥得到包覆有液态金属微纳颗粒的改性弹性体海绵；
[0015]步骤4、将步骤3得到的包覆有液态金属微纳颗粒的改性弹性体海绵进行激光烧结或者压力烧结，得到可拉伸导电复合材料。
[0016]上述步骤1中，液态金属为熔点低于25℃的低共熔点合金，优选镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或两种；
[0017]分散剂为水和有机溶剂中的至少一种，有机溶剂选自醚、呋喃、酮、醇中的至少一种，优选乙醚、丙酮、乙醇、异丙醇和四氢呋喃中的至少一种；
[0018]液态金属在分散液中浓度为0.01～0.2g/ml，优选为0.02～0.15g/ml；
[0019]疏基化合物选自含巯基和羧基的有机化合物、含巯基和胺基的有机化合物、含巯基和羰基的有机化合物中的至少一种；优选为巯基乙酸、巯基丙酸、4-巯基丁酸、8-巯基庚酸、11-巯基十一烷酸、巯基乙胺、3-巯基-1-丙胺、1-巯基-2-丙酮、4-巯基-2-戊酮、3-巯基-2-丁酮中的至少一种；
[0020]所述巯基化合物在分散液中浓度为1～25mM，优选为1～20mM；
[0021]超声粉碎在0℃～10℃的水浴中进行0.5～2h；超声粉碎的功率优选为1000～1500W，优选温度为0～5℃，优选时间为0.5～1h；超声粉碎得到分散在分散剂中的液态金属微纳颗粒平均粒径为20～1000nm；
[0022]步骤1中混合形成液态金属微纳颗粒分散液包括：将所述含有液态金属微纳颗粒、分散剂和疏基化合物在内的混合物在0～40℃水浴中超声处理10～50min得到稳定液态金属微纳颗粒分散液；超声处理后的液态金属微纳颗粒分散液在500～3500r/min的离心速率下离心10～30min，优选25～35min；将所述液态金属微纳颗粒分散液除去液体，重新加入分散剂，如此重复洗涤后超声处理得到稳定液体金属颗粒分散液。
[0023]上述步骤2)中，弹性体海绵为聚多巴胺表面改性的弹性体海绵，优选聚多巴胺表面改性的聚二甲基硅氧烷海绵、聚氨酯海绵或胶乳海绵中的一种或多种；
[0024]弹性体海绵浸渍前用水或乙醇进行清洁干燥处理，干燥温度为50～80℃；
[0025]缓冲液为三羟甲基氨基甲烷盐酸缓冲水溶液，缓冲液pH值为7.5～9；
[0026]缓冲溶液中多巴胺的浓度为0.01～0.5mol/ml，优选为0.05～0.3mol/ml；
[0027]弹性体海绵的浸渍时间为1～32小时。
[0028]在步骤2)中，将弹性体海绵浸在溶解有多巴胺的溶液里，在所述pH值下多巴胺可以聚合在弹性体海绵的表面，从而对弹性体海绵进行改性。
[0029]上述步骤3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的可拉伸导电复合材料，包括液态金属层和弹性体海绵；其中，液态金属层分布在所述弹性体海绵骨架表面。2.根据权利要求1所述的可拉伸导电复合材料，其特征在于：以弹性体海绵表观体积来计，所述液态金属层的体积百分数为0.5％～15％，优选8％～14％。3.根据权利要求1所述的可拉伸导电复合材料，其特征在于：所述液态金属为熔点低于25℃的低共熔点合金，优选镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或两种；和/或，所述的弹性体海绵的孔隙率为45％～95％，优选50％～90％。4.根据权利要求1所述的可拉伸导电复合材料，其特征在于：所述液态金属层由液态金属微纳颗粒烧结而成，和/或，所述弹性体海绵为聚多巴胺表面改性的弹性体海绵，优选聚多巴胺表面改性的聚二甲基硅氧烷海绵、聚氨酯海绵或胶乳海绵中的一种或多种。5.根据权利要求1～4所述的基于液态金属的可拉伸导电复合材料的制备方法，包括：将所述液态金属制成液态金属微纳颗粒分散液，将弹性体海绵浸渍到上述分散液中，取出弹性体海绵/分散液复合物烘干后进行压力烧结或激光烧结得到所述可拉伸导电复合材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的制备方法具体包含以下步骤：步骤1、将所述液态金属加入分散剂中，超声粉碎后加入巯基化合物，混合形成液态金属微纳颗粒分散液；步骤2、将所述弹性体海绵置于溶解有多巴胺的缓冲溶液中，在室温下充分浸渍反应，得到聚多巴胺改性的弹性体海绵；步骤3、将步骤2得到的改性弹性体海绵在室温下浸渍到步骤1制得的液态金属微纳颗粒分散液中，充分浸渍后干燥得到包覆有液态金属微纳颗粒的改性弹性体海绵；步骤4、将步骤3得到的包覆有液态金属微纳颗粒的改性弹性体海绵进行激光烧结或者压力烧结，得到所述的可拉伸导电复合材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中：所述液态金属为熔点低于25℃的低共熔点合金，优选镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或两种；和/或，所述分散剂为水和有机溶剂中的至少一种，所述有机溶剂选自醚、呋喃、酮、醇中的至少一种，优选乙醚、丙酮、乙醇、异丙醇和四氢呋喃中的至少一种；和/或，所述液态金属在分散液中浓度为0.01～0.2g/ml，优选为0.02～0.15g/ml；和/或，所述疏基化合物选自含巯基和羧基的有机化合物、含巯基和胺基的有机化合物、含巯基和羰基的有机化合物中的至少一种；优选为巯基乙酸、巯基丙酸、4-巯基丁酸、8-巯基庚酸、11-巯基十一烷酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁南英，黄亚楠，田明，王文才，邹华，张立群，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：