一种基于液态金属的柔性导电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于液态金属的柔性导电复合材料及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将聚合物基质溶解在溶剂中，得到聚合物溶液；将镓铟合金液态金属超声分散于所述聚合物溶液中，得到分散液；将所述分散液干燥去除溶剂，得到所述柔性导电复合材料。本发明专利技术的制备方法简单，得到的柔性导电复合材料兼具高拉伸性和高电导率的特点，并且在循环大拉伸条件下电学性能保持稳定，在柔性和可拉伸电子设备等领域具有广泛的应用前景。备等领域具有广泛的应用前景。备等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属的柔性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
，具体涉及一种基于液态金属的柔性导电复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]柔性和可拉伸的电子设备极大的改变了我们利用和制造电子设备的方式，并被广泛应用于生产生活的不同领域，如柔性电路、压力传感器、可穿戴数字诊疗仪、可穿戴发电机和微型加热器。可拉伸导电材料作为柔性电子设备的核心，受到越来越广泛的关注。
[0003]在大的机械应变下，电学性能损失最小，是可拉伸导电材料在实际应用中最重要的要求之一(CN 108288513 A)。当前制备可拉伸导电材料主要有两种方法。第一种方法是将导电材料按照一定的微图案或者微结构沉积或涂覆在弹性基底表面。这些微图案或微结构能适应弹性基材的机械应变，在较大的拉伸条件下仍然能保持导电通道的完整性，减少电导率损失。但是，它们也存在加工工艺复杂、材料易损坏、使用寿命短等缺点(CN 109036626 A)。第二种方法是将导电填料包埋进柔性可拉伸基体中，制备可拉伸的导电复合材料。导电填料在柔性可拉伸基体中形成贯通的连续网络，在基体发生形变时提供导电性。但是，这种复合材料的拉伸性和导电性之间的反向关系更明显。例如，当导电填料含量较高时，复合材料的电学性能较好，但拉伸性较差。反之，当导电填料含量相对较少时，复合材料可以更好的体现柔性基体的拉伸性，但电导率则会受到影响而降低。此外，柔性基体中填充的刚性导电填料往往会导致应力集中，促进材料拉伸过程中产生的纳米和微米裂纹在材料中的扩展，进而导致材料结构的破坏和性能丧失。
[0004]现有的可拉伸的导电材料主要基于结构化导电材料以及将一些刚性导电颗粒填充到柔性基体方法得到的导电材料的拉伸极限小于3000％，并且拉伸后，材料的电阻急剧增加，导电性能下降。因此，开发兼具良好的拉伸能力和导电能力，特别是在大拉伸下仍能保持稳定导电性能的柔性导电复合材料是一个巨大的挑战。
[0005]基于镓铟合金的液态金属是一类室温液相导体，兼具液体的流动性和金属的高导电性等特点，被广泛的用作柔性器件的导电填充材料(CN 110970150 A)。液态金属可以利用超声、搅拌等方法分散在聚合物基质中，制备方法简单。但是，由于液态金属表面能比较高，和常用的聚合物材料的界面相容性比较差，将其填充在柔性可拉伸基体中时，往往会形成离散的微小液滴，无法得到连续的导电网路，使得制备得到的复合材料并不具备导电性(US 2017/0218167 A1)。通常需要后处理如机械加压、降温、改变湿度、激光照射等方法诱导液态金属微小液滴的合并，在复合材料内部形成导电通道。这使得基于液态金属的柔性导电复合材料的制备方法非常复杂，并且制备的复合材料在使用过程中内部结构的改变也可能会引起材料性质的变化并影响其性能。基于此，开发一种简单的加工方法，使液态金属在柔性聚合物基质内直接形成连续贯穿的导电网络非常重要。

技术实现思路

[0006]为了克服上述技术不足，本专利技术的目的在于提供一种基于液态金属的柔性导电复合材料及其制备方法。本专利技术提供的柔性导电复合材料的制备方法简单，得到的柔性导电复合材料兼具高拉伸性和高电导率的特点，并且在循环大拉伸条件下电学性能保持稳定。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术一方面提供一种基于液态金属的柔性导电复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]将聚偏氟乙烯共聚物溶解在溶剂中，得到聚合物溶液；所述溶剂包括N
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甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和乙酸乙酯中的一种或两种以上的组合；所述聚偏氟乙烯共聚物与溶剂的质量比为1:99～20:80；
[0010]将镓铟合金液态金属(EGaIn)超声分散于所述聚合物溶液中，得到分散液；所述镓铟合金液态金属与聚偏氟乙烯共聚物的质量比为1:9～9:1；
[0011]将所述分散液干燥去除溶剂，得到所述柔性导电复合材料。
[0012]本专利技术制备方法中，聚合物基材选择聚偏氟乙烯共聚物，这是由于聚偏氟乙烯共聚物是一种具有重要应用价值的特种高分子材料，具有良好的疏水性和可加工性、高力学强度和可拉伸性能，低生物毒性以及高介电常数等。基于聚偏氟乙烯共聚物的柔性电路在工程应用领域具有重要的应用价值。
[0013]本专利技术制备方法中，溶剂包括N
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甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和乙酸乙酯中的一种或两种以上的组合。优选以上溶剂是由于聚偏氟乙烯共聚物在以上溶剂中溶解性好、复合材料成膜性能好，并且溶剂的毒性较低，易于材料的加工和后续大规模制备。
[0014]本专利技术制备方法中，聚合物基质与溶剂的质量比为1:99～20:80。调控聚合物与溶剂的质量比可以得到具有合适粘度的聚合物溶液，对EGaIn合金液态金属的分散和最终复合材料的成膜性能具有重要影响。聚合物溶液的粘度如果过小，EGaIn经过超声分散后，由于其自身密度较大，会在聚合物溶液中快速沉降，使最终复合材料的导电性和拉伸性能降低。聚合物溶液的粘度如果过大，则会降低EGaIn在聚合物溶液中超声分散的效率，并显著影响制备微颗粒的尺寸分布，并最终使复合材料的导电性和拉伸性能降低。此外溶剂的具体选择对复合材料导电性有非常大的影响，其中在乙酸乙酯中制备的复合材料导电性最好，其次是N
‑
甲基吡咯烷酮，而使用丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺作为溶剂导电性较差。
[0015]本专利技术制备方法中，镓铟合金液态金属(EGaIn)与聚合物基质的质量比为1:9～9:1。更优选1:1～1:9。当EGaIn含量过少时，其在聚合物基质中离散分布，难以形成高质量的连续通道，影响材料的拉伸和导电性能。EGaIn含量过高时，添加的聚合物无法完全包覆液态金属微颗粒，影响最终的成膜性能。
[0016]根据本专利技术的制备方法，优选地，所述聚偏氟乙烯共聚物为聚偏氟乙烯
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三氟氯乙烯共聚物(PVDF
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co
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CTFE)。
[0017]根据本专利技术的制备方法，优选地，所述聚偏氟乙烯
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三氟氯乙烯共聚物(PVDF
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co
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CTFE)的相对分子质量为10000～1000000，优选100000～250000。
[0018]对比其他聚偏氟乙烯共聚物，PVDF
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co
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CTFE作为一种特种功能高分子，具有更好
的拉伸性能和高力学强度。在本专利技术中，当PVDF
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co
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CTFE分子量为100000
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250000时，其与镓铟合金液态金属结合所制备的柔性导电材料拉伸性最好，应变达到10000％时仍然具有导电性。
[0019]根据本专利技术的制备方法，优选地，所述聚偏氟乙烯
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三氟氯乙烯共聚物(PVDF
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co
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的柔性导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将聚偏氟乙烯共聚物溶解在溶剂中，得到聚合物溶液；所述溶剂包括N
‑
甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和乙酸乙酯中的一种或两种以上的组合；所述聚偏氟乙烯共聚物与溶剂的质量比为1:99～20:80；将镓铟合金液态金属超声分散于所述聚合物溶液中，得到分散液；所述镓铟合金液态金属与聚偏氟乙烯共聚物的质量比为1:9～9:1；将所述分散液干燥去除溶剂，得到所述柔性导电复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯共聚物为聚偏氟乙烯
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三氟氯乙烯共聚物。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯
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三氟氯乙烯共聚物的相对分子质量为10000～1000000，优选100000～250000。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯
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三氟氯乙烯共聚物中，偏氟乙烯与三氟氯乙烯的摩尔比例为15:85～55:45。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：姚希，曹春艳，黄鑫，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：