一种基于静电纺丝的液态金属复合丝、纤维薄膜、柔性电子复合材料及其制备方法

本发明涉及多功能材料领域，具体涉及一种可用于柔性电子产品的基于静电纺丝的液态金属复合丝、纤维薄膜、柔性电子复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、具有高延展性、高导电性和优异循环稳定性的软导体是新兴技术领域(如软电子和软机器人)的重要材料。与硬导体相比，软导体具有许多优点，如低电阻、高导电性和低成本。如离子弹性体和本征导电聚合物等软导电复合材料，为柔性电子器件提供了巨大的设计空间，更高的电导率，以及更多应用前景的可能。软导电复合材料通常由软弹性体基体和一种或多种导电填料组成，如碳纳米材料、银纳米片、液态金属、离子液体等。目前，最有前景的填料材料是液态金属，如共晶镓铟和镓铟锡合金。一方面，与银和碳基纳米填料等刚性填料相比，液态金属的流动性使软导电复合材料具有极高的延展性和固有的自愈性。另一方面，相比于离子液体和电解液，液态金属的金属特性使其具备了较高的离子电导率。现有的液态金属复合材料通常具有高体积分数的液态金属，这不仅增加了密度，而且增加了材料成本。

2、因此，未来在柔性电子和机器人技术中的应用中，需要一种对低密度和高导电性的液态金属复合材料，以实现大规模、低成本、轻质和更可持续的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于静电纺丝的液态金属复合丝、纤维薄膜、柔性电子复合材料及其制备方法，能够制备出低密度和高导电性的液态金属复合材料，以实现大规模、低成本、轻质和更可持续的应用。

2、本发明的基于静电纺丝的液态金属纤维复合丝，所述液态金属纤维复合丝由液态金属通过静电纺丝形成以液态金属为内核，外弹性体包裹内核的复合结构。

3、本发明还公开一种基于静电纺丝的液态金属纤维薄膜，所述液态金属纤维薄膜由液态金属通过静电纺丝形成具有连通的三维网络交织结构的超薄多孔薄膜；

4、进一步，所述薄膜厚度90-110微米。

5、本发明还公开一种基于静电纺丝的液态金属纤维薄膜的制备方法，包括以下步骤：

6、将液态金属分散在弹性溶液中制得弹性核心溶液，将弹性核心溶液和高弹性的外弹性体包裹溶液采用同轴静电纺丝同时挤出并纺丝形成具有纤维直径小，结构疏松多孔且具有三维网络交织结构的薄膜；

7、进一步，所述弹性核心溶液的制备包括以下步骤：

8、采用铟镓合金作为液体金属导电体，将液态铟镓合金、三氯甲烷和1-十二烷基硫醇混合后超声震荡分散，得到分散均匀的液态金属微液滴，然后将所得液态金属微液滴与sebs、三氯甲烷和甲苯混合后搅拌；

9、进一步，液态铟镓合金、三氯甲烷和1-十二烷基硫醇的质量比为85∶7.5∶7.5；液态金属微液滴与sebs、三氯甲烷和甲苯的质量比为65∶5∶24∶6；

10、进一步，所述外弹性体包裹溶液的制备包括以下步骤：

11、以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物sebs作为溶质，三氯甲烷和甲苯的二元溶液作为溶剂，将苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物sebs溶于溶剂中制得外弹性体包裹溶液；

12、进一步，三氯甲烷和甲苯的质量比为55:45。

13、本发明还公开一种基于静电纺液态金属丝的柔性电子复合材料，将上述液态金属纤维薄膜使用导电粘接胶连接引线后，然后采用低黏的橡胶材料对液态金属纤维薄膜进行浸渍并填充空隙，最后采用热活化处理的方式连接导电纤维间的通道，使液态金属材料嵌入在弹性橡胶基体中形成互连的液体金属纤维网络结构，制得轻质高导电得柔性电子复合材料。

14、本发明还公开一种基于静电纺液态金属丝的柔性电子复合材料的制备方法，将液态金属纤维薄膜裁剪成所需形状放入模具，然后导入液态未固化的橡胶材料后固化，将固化后的复合材料在温度为80-130℃下，在复合材料表面均匀施加压力使得液态金属在复合材料内部均匀形成联结点，制得柔性电子复合材料。

15、本发明的有益效果是：本发明的基于静电纺丝的液态金属复合丝、纤维薄膜、柔性电子复合材料及其制备方法，通过静电纺丝制得液态金属纤维复合丝，进一步制得具有连通的三维网络交织结构的液态金属纤维薄膜，然后再通过浸渍和热处理活化工艺使液态金属复合材料嵌入在弹性橡胶基体中的形成互连液体金属纤维网络，液体金属纤维网络作为超轻电子导电途径，同时表现出轻量化和高导电性。实验表明，这种软导电复合材料还具有几乎不受应变影响的传导性和出色的循环稳定性。基于该种液态金属复合材料的薄膜作为可拉伸导体、电极和传感器，在机器人和柔性电子设备当中有非常广阔的应用前景。且本发明制备出的液态金属纤维柔性电子复合材料，具有极高的应变，同时在高应变下仍然能够保持稳定的电阻变化和导电率，是柔性电子器件的理想载体。

16、与现有技术相比，通过本发明的方法能够加工制备新型的基于静电纺液态金属丝的柔性电子复合材料，且液态金属复合材料具有以下有益效果：

17、(1)本发明将液态金属加工、静电纺丝、弹性体浸渍等工艺结合，实现了液态金属低含量、轻便、高导电性和柔性的液态金属纤维复合材料柔性电子器件加工与制备。

18、(2)本发明不仅可以加工基于液态金属的纤维复合材料柔性导电体，同时可以通过多层材料隔断的方式，加工柔性电容式传感器。

19、(3)本发明克服了液态金属由于大表面张力而无法制备极细纤维丝的技术难题，能够有效、连续地制备出10～25微米的极细纤维。

技术特征：

1.一种基于静电纺丝的液态金属纤维复合丝，其特征在于：所述液态金属纤维复合丝由液态金属通过同轴静电纺丝形成以液态金属为内核，外弹性体包裹内核的复合结构。

2.一种基于静电纺丝的液态金属纤维薄膜，其特征在于：所述液态金属纤维薄膜由液态金属通过静电纺丝形成具有连通的三维网络交织结构的超薄多孔薄膜。

3.根据权利要求2所述的基于静电纺丝的液态金属纤维薄膜，其特征在于：所述薄膜厚度90-110微米。

4.根据权利要求2所述的基于静电纺丝的液态金属纤维薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的基于静电纺丝的液态金属纤维材料的制备方法，其特征在于：所述弹性核心溶液的制备包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于静电纺丝的液态金属纤维材料的制备方法，其特征在于：液态铟镓合金、三氯甲烷和1-十二烷基硫醇的质量比为85∶7.5∶7.5；液态金属微液滴与sebs、三氯甲烷和甲苯的质量比为65∶5∶24∶6。

7.根据权利要求4所述的基于静电纺丝的液态金属纤维材料的制备方法，其特征在于：所述外弹性体包裹溶液的制备包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的基于静电纺丝的液态金属纤维材料的制备方法，其特征在于：三氯甲烷和甲苯的质量比为55:45。

9.一种基于静电纺液态金属丝的柔性电子复合材料，其特征在于：将权利要求2所述的液态金属纤维薄膜使用导电粘接胶连接引线后，然后采用低黏的橡胶材料对液态金属纤维薄膜进行浸渍并填充空隙，最后采用热活化处理的方式连接导电纤维间的通道，使液态金属材料嵌入在弹性橡胶基体中形成互连的液体金属纤维网络结构，制得轻质高导电得柔性电子复合材料。

10.根据权利要求9所述的基于静电纺液态金属丝的柔性电子复合材料的制备方法，其特征在于：将液态金属纤维薄膜裁剪成所需形状放入模具，然后导入液态未固化的橡胶材料后固化，将固化后的复合材料在温度为80-130°c下，在复合材料表面均匀施加压力使得液态金属在复合材料内部均匀形成联结点，制得柔性电子复合材料。

技术总结
本发明公开的一种基于静电纺丝的液态金属纤维复合丝，所述液态金属纤维复合丝由液态金属通过静电纺丝形成以液态金属为内核，外弹性体包裹内核的复合结构；通过静电纺丝制得液态金属纤维复合丝，进一步制得具有连通的三维网络交织结构的液态金属纤维薄膜，然后再通过浸渍和热处理活化工艺使液态金属复合材料嵌入在弹性橡胶基体中的形成互连液体金属纤维网络，液体金属纤维网络作为超轻电子导电途径，同时表现出轻量化和高导电性。

技术研发人员：邓方行,杨大祥,蔺诗韵,李玉福,成莹
受保护的技术使用者：重庆交通大学绿色航空技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17