[发明专利]一种高导电屈服电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高导电的弹性电极材料的制备方法。该方法将改性一维碳纳米材料与聚合物弹性体共混，控制碳纳米材料在基体中的逾渗网络结构来实现复合材料的高弹性、高导电等性能。本发明阐述了碳纳米材料的表面改性方法以及改性碳纳米材料与聚合物弹性体共混方法。将所得复合薄膜制成长方型试样在拉力机上拉伸至断裂，测试电导率随应变的变化规律。本发明中碳纳米材料含量分别为0％，2％，4％，6％，8％，10％，其中含量为10％的样品在拉伸过程中表现出优异的电导稳定性，可用作可穿戴设备、柔性电子器件、能量俘获器件等的导电弹性电极材料。

技术领域

本发明属于工程导电材料技术领域，涉及导电粒子填充的高导电复合材料的制备和表征，其主要应用为柔性电子设备中的重要组成部分，即可屈服高导电弹性电极材料。

背景技术

在过去的几十年里，物联网的快速发展使得人们对可穿戴设备、无源供电设备的需求变得越来越迫切。而随着电子终端设备变得越来越小，越来越多的研究开始关注电子设备的小型化和柔性化，如柔性电子集成器件，柔性传感器，柔性能量俘获器，功能性电子皮肤等等(X. Chen, Small Methods 2017, 1, 1600029)。其中，柔性电子器件中的柔性电极材料作为其重要组成部分直接决定了柔性电子器件的性能水平、使用寿命。如何制备高导电可自由伸缩高贴服性的柔性电极来确保柔性电子器件能够长期，稳定的工作成为目前研究的热点(S. Rosset, H. R. Shea, Appl Phys A (2013) 110:281–307)。截止到目前，柔性电极材料的研究仍处于实验室研发阶段，商业化的可屈服的高导电电极材料仍然处于空白状态，本发明旨在促进这一材料商业化的进程。

柔性聚合物材料由于其低模量，易加工，低成本等优点成为柔性电极的理想材料。但未掺杂的柔性聚合物极 低的电导率并不符合电极材料高导电的要求。目前的研究主要通过添加导电金属颗粒、石墨或者炭黑等碳基为代表的导电纳米材料来提高其电导率。当导电粒子在聚合物基体中的填充量大于渗流阈值时，导电粒子形成的导电网络可以使复合材料体系的电导率实现数量级的提升。但传统的金属粒子，石墨等导电填料由于其较低的比表面积，其渗流阈值可高达23% (J.C. Huang, Adv. Polym. Technol. 2002, 21(4),299–313) 。超高的填充量在提高复合材料电导率的同时也导致聚合物基体的柔性和拉伸断裂伸长率大幅下降。而一维碳纳米材料具有良好的柔性，高长径比及优异的导电性等优点, 在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。不同长径比的一维碳纳米材料填充的复合材料体系其渗流阈值可低至1%，大大缓解了由于纳米粒子引入导致的材料模量升高和刚度增强的现象，使得材料同时呈现高电导率和高柔性成为可能。(S.H. Yao, et al, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 212901) 与此同时，一维纳米碳材料体系的渗流阈值与其在聚合物中的分散状态密切相关。高长径比使得其在与聚合物共混加工时，容易出现团聚，而其非极性表面使得一维碳纳米材料与聚合物的界面结合力很弱。本发明通过对一维碳纳米材料表面改性，提高其分散，优化界面作用，从而实现高电导高柔性材料的制备。通过对一维碳纳米材料导电网络的优化，找到了使材料电导率在拉伸过程中呈现高稳定性的最佳配比。同时本发明的每一步制备过程都可以实现规模化，从而为为柔性电极材料的商业化提供了可能。

发明内容

本发明旨在制备高长径比一维碳纳米材料填充的两相导电复合材料体系，为柔性电子器件提供一种可商业化的高导电高弹性可屈服电极材料。

本发明采用高长径比的一维碳纳米材料替代传统的石墨填料和金属导电粒子，通过对其表面进行改性促进其在弹性聚合物基体中的分散，所制得的两相复合物体系显示出低渗流阈值，高电导及高弹性等优点。本发明中制备了一维碳纳米材料含量分别为0%，2%，4%，6%，8%，10%的复合材料体系，其中一维碳纳米材料含量为10%的样品在拉伸过程中表现出了优异的电导稳定性，符合商业化电极材料的要求。