一种具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极及其制备制造技术

本发明专利技术属于柔性电子领域，具体涉及一种具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极。本发明专利技术提供一种具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，所述液态金属柔性电极包括聚合物基底，和附着在可拉伸基底表层上的液态金属；所述聚合物基底为含活性羧基基团的弹性体。本发明专利技术指出液态金属如镓铟合金的氧化层与含活性羧基基团的弹性体基底中的碳氧双键的界面相互作用使得液态金属导电层与基底能够进行共形形变，这种优异的共形能力能减少电阻的波动，有利于在基底形变时电阻的稳定性；当基底应变达800％时，液态金属层与基底的形变比例保持1:1，电阻可保持1Ω以下。电阻可保持1Ω以下。电阻可保持1Ω以下。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极及其制备


[0001]本专利技术属于柔性电子领域，具体涉及一种具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极。

技术介绍

[0002]随着互联网的飞速发展，刚性电极电路已经难以满足人们日益增长的对于电子设备的可便携、可穿戴需求。柔性电极因其灵活性，存在一定范围的形变导电能力(弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸)，可适用于不同的工作环境(可折叠屏幕、柔性电路板、柔性传感器等)，在面对复杂的机械应力条件时，也能满足使用设备的性能要求。
[0003]传统刚性导电填料(金属微粒、石墨等)依赖于导电网络的构筑，在形变时可能会使导电网络破坏而丧失导电性能。并且，使用刚性材料还会限制柔性高分子的形变，并可能在长期使用中导致不可避免的裂纹和断裂。液态金属具有流动性并且具有优异的导电导热性能，已经逐步被用作柔性导电填料用于需要形变的工作环境中。但液态金属极易被氧化表面形成纳米尺度的氧化层，并且液态金属的表面张力大并且表面缺少活性官能团，使得其与聚合物粘附性以及相容性差。更好的控制液态金属与柔性基底的附着力是基于液态金属的柔性电极的制备的最大问题。液态金属与基底的界面相互作用影响了基底表面图案化的能力，并且影响着变形时基底和电极的共形能力。目前有一系列提高液态金属与基体粘附能力的方法，包括反应性润湿、延缓氧化层生成、添加中间层、表面化学等方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于利用液态金属与碳氧双键之间的相互吸引，构建一个具有相互作用的自适应界面；界面相互作用使得电极可与基底产生共形形变，提高电学性能的稳定性。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，所述液态金属柔性电极包括聚合物基底，和附着在可拉伸基底表层上的液态金属；所述聚合物基底为含活性羧基基团的弹性体。
[0007]进一步，所述液态金属柔性电极中，液态金属的氧化层与聚合物基底中的碳氧双键的界面相互作用使得液态金属与聚合物基底能够进行共形形变。
[0008]本专利技术中，自适应指：液态金属与聚合物基底界面处能够自发产生相互作用，使液态金属能够自主顺应基底的形变。共形形变指：当基底形变到一定的形变量时，基底上的液态金属也能够形变到几乎相同的形变量。
[0009]进一步，所述含活性羧基基团的弹性体为聚氧化乙烯/聚丙烯酸(PEO/PAA)复合弹性体或3M VHB胶系。
[0010]进一步，所述聚氧化乙烯/聚丙烯酸复合弹性体中聚氧化乙烯和聚丙烯酸的质量比为：4：6～6：4。
[0011]进一步，所述液态金属为镓、或者镓基合金，如共晶镓铟合金EGaIn。
[0012]进一步，所述镓基合金为镓与铟或锡中的至少一种的共熔合金。
[0013]进一步，所述聚氧化乙烯/聚丙烯酸(PEO/PAA)复合弹性体采用下述方法制得：先将聚氧化乙烯(PEO)和聚丙烯酸(PAA)分别溶解在去离子水中得聚氧化乙烯溶液和聚丙烯酸溶液；再将聚氧化乙烯溶液在搅拌下以不超过5mL/min的滴加速率滴加到聚丙烯酸溶液中；滴加结束后至出现的絮凝物含量没有很大变化时结束搅拌；然后静置沉淀；再将絮凝出的沉淀离心处理、压制成膜和干燥得到聚氧化乙烯/聚丙烯酸(PEO/PAA)复合弹性体。
[0014]进一步，聚合物基底表面液态金属合金的面密度为0.1mg/mm2～3mg/mm2。面密度过小会在拉伸过程中因为面密度不足导致导电网络破坏，从而导致电阻上升；面密度过大在拉伸途中过剩的液态金属没有接触弹性基底，从而容易滑脱。
[0015]进一步，所述具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极由于界面相互作用使得液态金属自适应基底，并且跟随基底共形形变。液态金属自然形成的氧化层与聚合物基底中的碳氧双键的界面相互作用使得液态金属自适应基底，并且跟随基底共形形变。
[0016]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供上述具有高度可拉伸性的自适应液态金属电极的制备方法，所述制备方法为：将液态金属滴加在聚合物基底表面，随后将液态金属铺展均匀即可。
[0017]本专利技术中，可采用金属圆柱体在滴加液态金属处施加压力(压力根据滴加的液态金属含量而定)将其铺展开。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]1)本专利技术指出液态金属如镓铟合金的氧化层与含丙烯酸的弹性体基底中的碳氧双键的界面相互作用使得液态金属导电层与基底能够进行共形形变，这种优异的共形能力能减少电阻的波动，有利于在基底形变时电阻的稳定性。当基底应变达800％时，液态金属层与基底的形变比例保持1:1，电阻可保持1Ω以下。
[0020]2)本专利技术发现的界面相互作用无需进行界面聚合或表面改性，可以一步成型，无需后续步骤，具有工艺简单，成本低，结构稳定，可长期使用等优点。
[0021]3)本专利技术适应性广泛，在这种相互作用下可对实际情况所使用的基底进行筛选或改性，以获得广泛应用。
[0022]4)本专利技术利用液态金属的氧化层与聚合物基底之间的相互作用，构建良好的键合界面，从而提高液态金属电极的共形能力，实现了在高度拉伸的情况下保持高导电性。
附图说明：
[0023]图1为本专利技术实施例1和对比例1所得的液态金属的变形率与不同基底(PEO/PAA(5：5)以及PDMS弹性体)的变形率的关系；实线代表变形率的线性趋势；由图1可知：PEO/PAA(5：5)与液态金属产生的相互作用使得液态金属电极可以在PEO/PAA(5：5)表面随着PEO/PAA(5：5)基底的形变产生共形形变，而不存在相互作用的PDMS形变100％时，其上的液态金属仅形变25％。
[0024]图2为本专利技术实施例1、2、3所得以PEO/PAA(5：5)弹性体为基底的可变形液态金属电极在不同的初始液态金属面密度下电阻随拉伸应变的变化；由图2可知：在面密度足够大时，即便基底产生较大形变，电阻仍然可以非常稳定。
[0025]图3为本专利技术实施例4所得的液态金属的变形率与PEO/PAA(6：4)弹性体基底的变形率的关系；实线代表变形率的线性趋势；由图3可知：PEO/PAA(6：4)与液态金属产生的相互作用使得液态金属电极可以在PEO/PAA(6：4)表面随着基底的形变产生共形形变。
[0026]图4为本专利技术实施例5所得的液态金属的变形率与PEO/PAA(4：6)弹性体基底的变形率的关系；实线代表变形率的线性趋势；由图4可知：PEO/PAA(4：6)与液态金属产生的相互作用使得液态金属电极可以在PEO/PAA(4：6)表面随着基底的形变产生共形形变。
[0027]图5为本专利技术实施例6所得的液态金属的变形率与VHB 4910的变形率的关系。实线代表变形率的线性趋势；由图5可知：VHB 4910与液态金属产生的相互作用使得液态金属电极可以在VHB 4910表面随着基底的形变产生共形形变。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供一种液态金属柔性电极，包括基底的弹性体以及附着在基底上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，其特征在于，所述液态金属柔性电极包括聚合物基底，和附着在可拉伸基底表层上的液态金属；所述聚合物基底为含活性羧基基团的弹性体。2.根据权利要求1所述的具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，其特征在于，所述液态金属柔性电极中，液态金属的氧化层与聚合物基底中的碳氧双键的界面相互作用使得液态金属与聚合物基底能够进行共形形变。3.根据权利要求1或2所述的具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，其特征在于，所述含活性羧基基团的弹性体为聚氧化乙烯/聚丙烯酸复合弹性体或3M VHB胶系。4.根据权利要求1～3任一项所述的具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，其特征在于，所述聚氧化乙烯/聚丙烯酸复合弹性体中聚氧化乙烯和聚丙烯酸的质量比为：4：6～6：4。5.根据权利要求1～4任一项所述的具有可拉伸性的自适应液态金属柔性电极，其特征在于，所述液态金属为镓、或者镓基合金。6.根据权利要求5所述的具有可拉伸性的自适应...

【专利技术属性】
技术研发人员：包睿莹，谢双蔓，杨伟，杨鸣波，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：