CN113990557B - 一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法。首先，将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属按照质量比为（0.3‑0.6）：（0.1‑0.2）：1混合，球磨后获得纳米银粉‑石墨烯‑液态金属复合导电粉末A；其次，将弹性体基体和固化剂混合后获得弹性体材料；最后，将纳米银粉‑石墨烯‑液态金属复合导电粉末A和弹性体材料混合后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性的纳米银粉‑石墨烯‑液态金属导电弹性体B。该方法制备简单、可批量化制备，且无需额外处理；同时，采用该方法制备的纳米银粉‑石墨烯‑液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料制备和器件加工技术领域，特别是涉及一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法及其应用。
背景技术
近年来，电子信息技术不断发展，电子器件也朝向微型化，轻量化发展。高导电弹性体复合材料由于其良好的柔韧性和较大的形变量，受到了广泛的关注。纳米银粒子作为高导电材料能够有效的提高复合材料的电导率，然而由于导电填料含量少且分散不均，导致其电导率明显下降且在拉伸过程中阻抗明显增加（电稳性差），以纳米银粒子为导电填料的高导电弹性体复合材料仍具有一定限制。
当前广泛采用以纳米银、石墨烯、碳纳米管等高弹性模量高导电颗粒作为导电介质制备导电油墨，再通过丝网印刷或喷墨打印的方式印制电子电路。然而，以金属类（铜、银等）和碳系(石墨烯、碳纳米管等)为导电介质制备导电油墨具有以下不足：高弹性模量、断裂伸长率低，不具备很好的可拉伸性。以镓及镓基合金为代表的室温液态金属材料具有超越传统电子材料优异的电学性能，且有望应用于印制高性能电子电路。然而，液态金属具有巨大的表面能，且其表面会自发形成的绝缘氧化膜，这就使得液态金属在各种基底上的印刷和电导性差一直是这类材料的主要技术难题。同时，使用液态金属制备的导电弹性体也被报道用于柔性电子电路，但液态金属在弹性体中仅为简单的附着，其可拉伸性和导电性仍有待进一步提升。
因此，本发明制备了一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电粉末，将复合导电粉末用于导电弹性体中的制备。同时，该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的导电弹性体可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等民用领域的应用需求。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电粉末，进而与弹性体混合后制备导电弹性体。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的导电弹性体兼具高弹性和高导电性，可承受穿着过程中的拉伸形变，能够更加灵活地连接电子元件并应用于柔性载体，使用纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
具体技术方案如下：
（1）将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属按照质量比为（0.3-0.6）：（0.1-0.2）：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A，其中，球磨转速为1,000-3,000 rpm，球磨时间为6-12 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导粉末A制备过程中会产生有机气体，需及时去除以避免氧化液态金属。
（2）将弹性体基体和固化剂按照等质量比或等体积比混合均匀后获得弹性体材料；可采用机械搅拌的方式混合，机械搅拌的速度为300-1,000 rpm，搅拌时间为20-60min。
（3）将纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A和弹性体材料按照（0.05-0.5）：1混合均匀后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B；可采用机械搅拌的方式混合，机械搅拌的速度为300-1,000 rpm，搅拌时间为15-60 min，干燥温度为50-180 ℃，干燥时间为20-60 min。
所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于300 nm。纳米银粉表面的有机配体会在高速搅拌的过程中挥发，会氧化液态金属，导致纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的导电性降低，需要使用高银固含量的纳米银粉。
所述的液态金属为Ga-In和Ga-In-Zn合金中的一种或几种。所述的Ga-In合金中的金属镓与金属铟质量比为1：（0.3-0.5），所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓、金属铟、金属锌的质量比为1：（0.3-0.4）：（0.05-0.2）。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的颗粒尺寸在0.5-500 μm。
所述的石墨烯衍生物包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯、氮-硫共掺杂石墨烯。
所述的弹性体包括环氧绝缘胶、弹性硅胶、PDMS、铂金固化硅胶Ecoflex00-30和聚氨基甲酸酯PU中的一种或几种。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
所述电连接体的可拉伸率为200 %-1,000 %，拉伸后的电连接体电阻为0.1-100Ω。
本发明的有益效果是：通过设计并制备一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电粉末，在与弹性体混合后制备导电弹性体。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B，纳米银粉-石墨烯-液态金属粉末A具有高导电性，其填充在弹性体中可增强弹性体的可拉伸性及其拉伸后的导电性。因而，采用该纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
附图说明
图1为本发明实施例1中纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的SEM图；
图2为本发明对比例1中仅使用纳米银粉和液态金属复合导电粉末制备的导电弹性体的SEM图；
图3为本发明对比例2中仅使用石墨烯和液态金属复合导电粉末制备的导电弹性体的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
现有技术中导电弹性体掺杂材料中存在纳米银粉的拉伸后电导性变差、石墨烯衍生物可拉伸强但电导性差，以及液态金属的附着性差等问题。为了解决上述问题，本发明提供一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电粉末，进而与弹性体混合后制备导电弹性体。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的导电弹性体兼具高弹性和高导电性，可承受穿着过程中的拉伸形变，能够更加灵活地连接电子元件并应用于柔性载体，使用纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
实施例1
一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，包括：
（1）将纳米银粉、氮掺杂石墨烯和液态金属Ga-In合金按照质量比为0.3：0.2：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A，其中，球磨转速为1,500rpm，球磨时间为6 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；
（2）将弹性体基体环氧绝缘胶和固化剂按照等质量比混合，机械搅拌均匀后获得弹性体材料；其中，机械搅拌的速度为800 rpm，搅拌时间为35 min；
（3）将纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A和弹性体材料按照0.05：1混合，机械搅拌均匀后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性弹性体；其中，机械搅拌的速度为300 rpm，搅拌时间为45 min，干燥温度为150 ℃，干燥时间为40 min。
所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于300 nm。
所述的Ga-In合金中的金属镓与金属铟质量比为1：0.5。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的颗粒尺寸在5-50 μm。
制备的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人弹性电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件。该电连接体的可拉伸率为1,000 %，拉伸后的电连接体电阻为0.1 Ω。
实施例2
一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，包括：
（1）将纳米银粉、氧化石墨烯和液态金属Ga-In-Zn合金按照质量比为0.6：0.1：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A，其中，球磨转速为1,000 rpm，球磨时间为12 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；
（2）将弹性体基体弹性硅胶和固化剂按照等体积比混合，机械搅拌均匀后获得弹性体材料；其中，机械搅拌的速度为600 rpm，搅拌时间为60 min；
（3）将纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A和弹性体材料按照0.2：1混合，机械搅拌均匀后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性弹性体；其中，机械搅拌的速度为1,000 rpm，搅拌时间为30 min，干燥温度为50℃，干燥时间为60 min。
所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于300 nm。
所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓、金属铟、金属锌的质量比为1：0.3：0.2。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的颗粒尺寸在0.5-500 μm。
制备的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的弹力纤维。该电连接体的可拉伸率为950 %，拉伸后的电连接体电阻为8Ω。
实施例3
一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，包括：
（1）将纳米银粉、氮-硫共掺杂石墨烯和液态金属Ga-In合金按照质量比为0.3：0.1：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A，其中，球磨转速为2,200 rpm，球磨时间为10 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；
（2）将弹性体基体PDMS和固化剂按照等质量比混合，机械搅拌均匀后获得弹性体材料；其中，机械搅拌的速度为1,000 rpm，搅拌时间为50 min；
（3）将纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A和弹性体材料按照0.5：1混合，机械搅拌均匀后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性弹性体；其中，机械搅拌的速度为600 rpm，搅拌时间为60 min，干燥温度为100 ℃，干燥时间为30 min。
所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于300 nm。
所述的Ga-In合金中的金属镓与金属铟质量比为1：0.3。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的颗粒尺寸在0.5-500 μm。
制备的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电致可拉伸部件。该电连接体的可拉伸率为800 %，拉伸后的电连接体电阻为12 Ω。
实施例4
一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，包括：
（1）将纳米银粉、还原氧化石墨烯和液态金属Ga-In-Zn合金按照质量比为0.6：0.2：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A，其中，球磨转速为3,000 rpm，球磨时间为8h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；
（2）将弹性体基体铂金固化硅胶和固化剂按照等体积比混合，机械搅拌均匀后获得弹性体材料；其中，机械搅拌的速度为300 rpm，搅拌时间为20min；
（3）将纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A和弹性体材料按照0.4：1混合，机械搅拌均匀后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性弹性体；其中，机械搅拌的速度为800 rpm，搅拌时间为15 min，干燥温度为180 ℃，干燥时间为20min。
所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于300 nm。
所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓、金属铟、金属锌的质量比为1：0.4：0.05。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A的颗粒尺寸在0.5-500 μm。
制备的纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，该电连接体的可拉伸率为500 %，拉伸后的电连接体电阻为50 Ω。
对比例1
将实施例1的技术方案改为：仅使用纳米银粉和液态金属复合的材料制备导电弹性体，该电连接体的可拉伸率为150 %，无法满足柔性机器人的电子电路连接部件对于拉伸性能的需求。
对比例2
将实施例1的技术方案改为：仅使用石墨烯和液态金属复合的材料制备导电弹性体，拉伸后的电连接体电阻为3M Ω，无法满足柔性机器人的电子电路连接部件对于导电性能的需求。
由以上可见，通过本发明实施方式制备的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电粉末A，具有高电导性、优良的流变性，可与弹性体混合后制备导电弹性体。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。同时，采用该方法制备的导电弹性体兼具高弹性和高导电性，可承受穿着过程中的拉伸形变，能够更加灵活地连接电子元件并应用于柔性载体，使用纳米银粉-石墨烯-液态金属导电弹性体B可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属按照质量比为（0.3-0.6）：（0.1-0.2）：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属复合导电粉末A，其中，球磨转速为1,000-3,000 rpm，球磨时间为6-12 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；
（2）将弹性体基体和固化剂按照等质量比或等体积比混合均匀后获得弹性体材料；所述的弹性体材料包括环氧绝缘胶、弹性硅胶、铂金固化硅胶和聚氨基甲酸酯PU中的一种或几种；
（3）将纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属复合导电粉末A和弹性体材料按照（0.05-0.5）：1混合均匀后倒入模具成型，干燥后获得高导电性和高拉伸性的纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属导电弹性体B，干燥温度为50-180 ℃，干燥时间为20-60 min。
2.根据权利要求1所述高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，其特征在于，所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于300 nm。
3.根据权利要求1所述高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，其特征在于，所述的液态金属为Ga-In和Ga-In-Zn合金中的一种或几种；所述的Ga-In合金中的金属镓与金属铟质量比为1：（0.3-0.5），所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓、金属铟、金属锌的质量比为1：（0.3-0.4）：（0.05-0.2）。
4.根据权利要求1所述高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，其特征在于，所述的纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属复合导电粉末A的颗粒尺寸在0.5-500 μm。
5.根据权利要求1所述高导电性和高拉伸性弹性体的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯衍生物包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯、氮-硫共掺杂石墨烯。
6.权利要求1-5任一项所述方法制备的高导电性和高拉伸性弹性体的应用，其特征在于，所述的纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属导电弹性体B纳米银粉可制成柔性机器人电连接体，可用于柔性机器人的电子电路连接部件、弹力纤维或电致可拉伸部件。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的电连接体的可拉伸率为200 %-1,000 %，拉伸后的电连接体电阻为0.1-100 Ω。
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