一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法及其应用，将物理状态截然不同的刚性导电填料和柔性导电填料这两个组分同时与高分子海绵材料结合，所制备的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料具有优异而稳定的电学性能和力学性能等多功能性，通过调控刚性导电填料和柔性导电填料这两个组分的种类、配比和添加量，以及调控高分子海绵材料的微孔结构和力学性能，可以制备出不同类型的多功能性、高灵敏度、快速响应，以及低成本的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料。的高分子海绵传感材料。的高分子海绵传感材料。

【技术实现步骤摘要】
一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于电子传感材料领域，具体涉及一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法及其应用。
[0002]
技术介绍

[0003]应力/应变传感器是人体运动监测装置、电子皮肤和智能机器人等器件的核心组成元件，被视为人类健康监测和人工智能应用的关键技术。传统传感材料是由刚性导电填料和高分子材料所组成的复合材料，并广泛应用于在应力/应变传感器等领域。其中刚性导电填料主要包括金金属纳米颗粒、属纳米球、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、金属氧化物和金属碳/氮化物材料等。由于分散在高分子基质中刚性导电填料的间距随外部应力/应变会发生巨大变化，进而将机械力或应变转换为电信号（例如压电电阻、电容、压电和摩擦电等）。此外，刚性导电填料表面具有丰富的化学官能团，均匀分散在高分子基质中的刚性导电填料通过与具有特定化学官能团的高分子链相互作用，形成独特的交联网络结构，从而改善复合材料的电学性能和机械性能等。然而，由于压电和摩擦电信号的间歇性，基于刚性导电填料的高分子复合传感材料只能检测瞬态或动态的应力/应变。电容型传感材料对静态应力/应变的检测范围也十分有限的。此外，刚性导电填料自身的刚硬特性会严重降低高分子复合材料的整体柔性，而复杂的制备过程和精细的封装工艺也限制了此类传感材料在电子领域的广泛应用。区别于刚性的导电填料，柔性导电填料即液态金属是一种熔点在室温附近的流体金属单质或合金，例如金属镓以及其合金（镓铟合金、镓铟锡合金和镓锌合金等）。兼具液体流动性和金属功能性的液态金属，由于具有高电导/导热率、优异流动性和生物相容性等独特性质，而被成功应用于微流体芯片、机器人技术和柔性电子器件等电子领域中。然而，虽然液态金属作为柔性导电填料能够随着高分子材料基质的形变而发生形变，但是导电阈值较高，不能够对复合材料的电学性能进行有效调控。近年来，导电高分子海绵材料具有其电阻值随外部应力/应变或刺激而变化的独特性质，由于其优异的应力/应变响应性能、简便的制备工艺和较低的生产成本等特点，已成为高性能应力/应变传感器和电化学储能装置电极的前沿材料，并在电学器件领域中占据重要地位。因此，将两种物理状态截然不同的柔性导电填料和刚性导电填料，与高分子海绵体系相结合，制备基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料，探究其电学性能和力学性能，并应用于传感器具有显著的科学意义和应用价值，对电子传感器件领域的现代化发展具有重要意义。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法，该方法通过将刚性导电填料和柔性导电填料同时引入高分子海绵材料中，通过调节刚性导电填料和柔性导电填料的种类（形貌、尺寸等特征）、配
比和添加量，以及高分子海绵材料的微孔结构，实现调控海绵传感材料力学性能和电学性能的目的。
[0005]本专利技术还提供所述制备方法所制备的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料和应用。
[0006]技术方案：为了实现上述目的，本专利技术所述的一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将两种不同类型的刚性导电填料和柔性导电填料与不同类型的高分子材料基质通过物理或者化学处理的方法进行共混；（2）所得到的刚柔双组份导电填料与高分子基质的混合物通过物理或者化学造孔的方法，最后得到具有均匀微孔结构的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料。
[0007]其中，步骤（1）所述的刚性导电填料包括金属纳米颗粒、金属纳米球、金属纳米线、金属纳米片、碳纳米管、石墨烯、金属氧化物和金属碳/氮化物材料等其中的任意一种或者一种以上的刚性导电填料的混合物。
[0008]其中，步骤（1）所述的柔性导电填料主要指的就是液态金属，包括单质镓、或者含铟、锌、铋、镉、锡、铅、镝的一种或多种元素作为辅助成分的共晶型低熔点合金，其熔点均低于100℃。
[0009]其中，步骤（2）所使用的高分子材料基质为塑料和橡胶两大类高分子材料，其中塑料类高分子材料包括聚乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯
‑
丙烯腈共聚物、丙烯腈
‑
丁二烯
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苯乙烯共聚合物、聚甲基丙烯酸酯、乙烯
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醋酸乙烯酯共聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛酯、聚苯醚、聚亚苯基硫醚、聚氨基甲酸乙酯、聚四氟乙烯、聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、环氧树脂、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮等；橡胶类高分子包括天然橡胶、聚硫橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、氯化聚乙烯、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、丁吡橡胶、氯醚橡胶、氯磺化聚乙烯、聚丙烯酸酯橡胶、氟橡胶等。在制备过程中，可以使用其中一种高分子材料，也可以同时使用多种高分子材料的混合物。
[0010]其中，步骤（2）所采用的物理或者化学处理的方法进行共混包括搅拌、研磨、超声、溶剂溶解、刮涂、旋涂、喷涂、3D打印技术以及化学交联等其中的一种或者结合多种制备方法进行操作。
[0011]其中，步骤（3）所采用的物理或者化学造孔的方法，其中物理造孔方法包括使用氯化钠晶体（混合溶解造孔原理）、糖模板（混合溶解造孔原理）、低沸点烷烃发泡剂，以及氟碳化合物发泡剂（四氟乙烷、五氟丙烷、五氟丁烷等），其中化学造孔方法包括使用有机发泡剂和无机发泡剂，其中有机发泡剂又包括N
‑
亚硝基化合物（发泡剂H、BN、DPT等）、偶氮化合物（偶氮氨基苯DAB、偶氮二甲酰胺AC等）、磺酰肼类化合物（苯磺酰肼BSH等）、脲基化合物等，无机发泡剂又包括碳酸盐（碳酸氢铵、碳酸氯钠等）、亚硝酸盐（亚硝酸钠
‑
氯化铵混合物等）等。
[0012]本专利技术所述的制备方法所制备的是基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料。
[0013]其中，所述基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料中，通过调节刚性导
电填料和柔性导电填料的种类（形貌、尺寸等特征）、配比和添加量，以及海绵复合材料的微孔结构，进而有效地控制海绵传感材料中导电网络结构的形貌特征和连通状态。
[0014]其中，所述基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的电学性能和力学性能，会随着高分子海绵基质的种类，刚性导电填料和柔性导电填料的种类（形貌、尺寸等特征）、配比和添加量，以及受到外界的应力/应变而发生改变，其断裂伸长率在1%
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100%之间，拉伸模量在0.1kPa
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100MPa之间，电阻值在0.1W
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100MW之间，其响应系数在0.1
‑
1000之间。
[0015]本专利技术所述的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料可以在电子传感器等电子领域中应用。
[0016本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤（1）将两种不同类型的刚性导电填料和柔性导电填料与不同类型的高分子材料基质通过物理或者化学处理的方法进行共混；步骤（2）所得到的刚柔双组份导电填料与高分子基质的混合物通过物理或者化学造孔的方法，最后得到具有均匀微孔结构的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料。2.根据权利要求1所述的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述的刚性导电填料包括金属纳米颗粒、金属纳米球、金属纳米线、金属纳米片、碳纳米管、石墨烯、金属氧化物和金属碳/氮化物材料其中的任意一种或者一种以上的刚性导电填料的混合物。3.根据权利要求1所述的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法及其应用，其特征在于，所述步骤（1）中，所述的柔性导电填料主要指的就是液态金属，包括单质镓、或者含铟、锌、铋、镉、锡、铅、镝的一种或多种元素作为辅助成分的共晶型低熔点合金，其熔点均低于100℃。4.根据权利要求1所述的基于刚柔双组份导电填料的高分子海绵传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所使用的高分子材料基质为塑料和橡胶两大类高分子材料，其中塑料类高分子材料包括聚乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯
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丙烯腈共聚物、丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯共聚合物、聚甲基丙烯酸酯、乙烯
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醋酸乙烯酯共聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛酯、聚苯醚、聚亚苯基硫醚、聚氨基甲酸乙酯、聚四氟乙烯、聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、环氧树脂、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮等；橡胶类高分子包括天然橡胶、聚硫橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、氯化聚乙烯、硅橡胶、聚二甲基硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛雨萌，宇平，钱友强，
申请(专利权)人：江苏海洋大学，
类型：发明
国别省市：