[发明专利]一种可穿戴器件用导电弹性体复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种可穿戴器件用导电弹性体复合材料及其制备方法。所述导电弹性体复合材料包括硅胶、热塑性聚氨酯弹性体、导电填料、相容剂和硫化剂。本发明旨在制备低填料用量的弹性体复合材料，并将其广泛应用于智能可穿戴设备等，在降低渗流阈值的条件下形成导电网络，使之在保持高导电性和高导电灵敏性下，减少填料的用量。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，进一步地说，是涉及一种可穿戴器件用导电弹性体复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会对可穿戴设备的需求日益增长，可穿戴器件的研究与开发被广泛关注。目前，柔性导电材料的设计思路主要有三类：第一类是通过结构设计，将传统的金属材料设计为可拉伸结构。这类具有优异的导电性，但是操作复杂、成本高昂，不易大规模应用。第二类是以导电聚合物作为柔性电极材料，常用的有聚苯胺、聚吡咯等。尽管导电聚合物兼具拉伸性和导电性，但是在实际应用中存在导电性较差等问题。第三类是将导电材料与柔性的基体材料通过一定方式结合来制备柔性导电材料。

如今多采用单一基体与导电填料复合来设计柔性导电材料。应用较多的弹性体有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、苯乙烯-(乙烯-丁二烯共聚物)-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等；填料包括碳纳米管(CNTs)、纳米银线(AgNWs)、石墨烯、膨胀石墨等。其中，由于高的长径比、本征柔性及相对成熟的制备工艺，CNTs的使用最广泛。日本东京大学Sekitani等最早开展相关研究，他们采用直接共混的方式，首先将超长单壁碳纳米管(SWCNTs，长度1mm以上)与离子液体混合，然后与PDMS共混形成可拉伸导体；由于超长SWCNTs间的强作用力且有明显的缠结作用，SWCNTs质量分数为20％的复合材料在拉伸应变达到134％时电导率仍保持为57S/cm。[夏凯伦,蹇木强,张莹莹.纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展[J].物理化学学报,2016,32(10):2427-2446.]。

将导电纳米材料与柔性基体材料复合具有方法简单、原材料灵活多变等特点。但是，采用单一的基体和填料进行混合，需要填充大量的导电填料，这样会降低复合材料的力学性能，尤其大幅增加模量，柔顺性变差，并使加工性能变差，提高成本。因而，如何尽可能地降低导电填料的填充量，并同时保持甚至改善复合材料的导电性，在目前的导电复合材料研究中是一个重要的方向。

例如，选用甲基乙烯基硅橡胶作为聚合物基体，以导电炭黑与碳纳米管两种导电填料制得具有双导电网络结构的复合材料，可以对导电性能的改善产生协同作用，可降低导电填料的用量[宁南英,赵柔,田明,等.一种膨胀石墨/碳纳米管导电双网络结构橡胶复合材料及其制备方法,CN 106496710A[P].2017.]。

以聚合物共混物代替单一聚合物作为基体，是目前高分子基导电复合材料研究最为活跃的领域之一。在这类导电体系中导电网络的形成存在着“双逾渗”现象。所谓“双逾渗”现象是指：逾渗行为是由填充粒子在一个连续相中的逾渗和该连续相在另一聚合物中的逾渗两个过程组成。这种双逾渗导电网络可以大大降低体系的渗流阈值。

发明内容

本发明着力于一种在低填料用量的条件下制备可穿戴器件用导电弹性体复合材料的技术，用于可穿戴器件中，提高导电性的同时减少模量。

本发明的目的之一是提供一种可穿戴器件用导电弹性体复合材料，由包含以下组分的原料共混得到，以重量份计：

其中，所述导电填料选用本领域常用的导电填料，优选石墨烯寡片、导电炭黑或碳纳米管中的至少一种。

以硅胶和热塑性聚氨酯弹性体100重量份为计，石墨烯寡片为0.25～2份，导电炭黑为0.5～10份，碳纳米管为0.25～5份。

优选地，所述石墨烯寡片为层数为5～20层，片层厚度为1.5～5nm，横向尺寸为1～10μm。所述碳纳米管为长径比为10～1000的多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。