[发明专利]具有界面互锁结构的纤维复合材料导电薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种具有界面互锁结构的纤维复合材料导电薄膜及其制备方法，该导电薄膜的制备方法依次包括以下步骤：(一)包覆聚多巴胺：(二)生长氧化锌纳米线：(三)制备纤维复合材料导电薄膜。本发明所提供的界面互锁结构有效地限制了导电纤维在聚合物基体中的相对滑移，提高了导电纤维网络结构在形变下的稳定性，使得到的纤维复合材料导电薄膜在强拉伸形变下的电性能和热性能的稳定性显著提高；该导电薄膜在强拉伸形变下具有高导电稳定性，并具有优秀的电热性能，其制备方法工艺要求低，工艺步骤简单环保，适于工业化应用。

技术领域

本发明属于可拉伸导体技术领域，涉及一种具有界面互锁结构的纤维复合材料导电薄膜及其制备方法，具体涉及纤维状导电填料与可拉伸聚合物基体界面之间具有微观上的互锁结构的纤维增强复合材料导电薄膜及其制备方法，特别是作为临床治疗中的热疗法设备原材料进行应用。

背景技术

可拉伸导体，由于其在拉伸情况下良好的导电稳定性，是先进的柔性电子器件的基本构件，目前已广泛应用于柔性显示器、可拉伸电容器和智能传感器等领域。它们被用于近年来开发的大量柔性可拉伸设备，包括生物电极、晶体管、机械传感器、能源设备等。

可拉伸导体由于良好的导电稳定性以及优异的电热性能，在热疗器件领域中也有着广阔的应用前景。热疗法是临床治疗中广泛应用的一种物理疗法，其通过对导体进行通电，将电能转化为热能，因此具有保温、减轻组织充血、减轻疼痛、促进炎症消散等作用。基于以上功能，热疗法被广泛应用于颈椎病、肩周炎及关节损伤等的治疗。由于热治疗器件应用在临床治疗中，其有效温度要求为41～77℃，并且由于关节部位在活动过程中会使器件发生形变，因此需要器件在形变下能够仍然保持良好的导电性与电热性能。

现有的可拉伸导体制备方法中，常用的策略主要有“可拉伸结构”和“可拉伸材料”两种。“可拉伸结构”是指将聚合物基体制备成具有优良拉伸性能的结构，如网状、蛇形、褶皱形等，然后再将金属等导电材料沉积在制备好的可拉伸基体上，从而得到了具有可拉伸性能的导体。如Wang等人通过在预拉伸的聚二甲基硅氧烷基体上沉积了一层铜层，然后恢复应变，得到了表面为褶皱形的可拉伸导体，其导电率在70％应变下保持不变(Wang X,HuH,Shen Y,et al.Advanced Materials,2011,23(27):3090-3094.)。但由于聚合物基体与导电涂层之间的相容性差，并且两种材料的模量相差巨大(聚合物基体MPa级，金属涂层为GPa级)，因此在使用中容易发生金属涂层剥离，大大限制了其实际应用。而“可拉伸材料”则是指制备本身可拉伸并且导电的聚合物。如Wang等人在导电聚合物聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐中加入离子添加剂，使得到的导电薄膜能在100％拉伸应变下保持电导率稳定(Wang Y,Zhu C,Pfattner R,et al.Science advances,2017,3(3):e1602076.)。但此种方法过程繁杂，并且大量化学试剂的使用对环境不够友好。

通过多种方法的对比，发现向可拉伸聚合物基体中添加导电填料是最为简便的方法，并且能够推广到大规模的工业生产中。具有高长径比的纤维状导电填料，包括金属纤维和一维碳材料等，例如铜纤维、银纤维、金纤维、碳纤维、碳纳米管等，通过在聚合物基体中形成交叉连接的导电网络结构，使聚合物材料获得优良的导电性能。但由于导电填料与聚合物基体之间界面强度低，用该方法得到的导体在使用过程中被拉伸后，内部的导电填料易发生相对滑移，填料之间的交叉节点消失，网络结构被破坏，材料的导电率下降。

所以导电纤维填料与聚合物之间的界面性能是解决纤维状填料/聚合物可拉伸导体在拉伸应变下导电率下降的关键点。传统的界面改性方法主要是对填料进行表面改性，降低其表面能，从而增加填料与聚合物基体之间的相容性，达到界面性能增强的目的。但化学改性的方法对界面性能的增强效果并不显著，不能有效地限制导电填料的相对滑移。