一种导电压敏纳米硅橡胶的制备方法与流程

本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一种导电压敏纳米硅橡胶的制备方法。

背景技术：

聚二甲基硅氧烷是一种高分子二甲基硅橡胶，具有耐热性、耐寒性、黏度随温度变化小、防水性、表面张力小、具有导热性，导热系数为0.134-0.159w/m*k，透光性为透光率100％，二甲基硅油无毒无味，具有生理惰性、良好的化学稳定性。电绝缘性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50℃-200℃下长期使用。由于其具有很好的拉伸性，聚二甲基硅氧烷硅橡胶被大量用于制作可拉伸材料。然而，如何均匀地加入导电填充物制作导电复合材料并使其具有功能性，仍是工业界和科研界的难题。

石墨烯是一种由碳原子构成的单片状纳米材料，由sp2杂化的碳原子构成，并由饱和共价键连接。石墨烯具有良好的导电导热性能，其室温下的电阻率为10^-8ω·m。因其较好的导电性，投光性，柔韧性和机械强度。石墨烯在纳米器件，微电子器件，太阳能电池能领域具有巨大的应用前景。然后，如何把石墨烯加入高分子聚合物制作功能性材料还是工业界和科研界的难题。特别是，如何能把加入的石墨烯均匀地分散在高分子聚合物中并体现其特有的电学性能，是很困难的。低浓度的石墨烯较容易分散，但是它们不能形成连贯的导电体系。而高浓度的石墨烯较容易形成导电体系，但是在高分子聚合物中它们会形成团聚体，造成材料功能性的缺失。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种合成操作简易，成本低且环保、高效生产导电压敏纳米硅橡胶的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种导电压敏纳米硅橡胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择无毒的聚乙烯醇作为乳化剂去离子水作为溶液，通过乳化反应制备硅橡胶纳米颗粒乳化液，离心分离硅橡胶纳米颗粒；

(2)采用电化学法对石墨材料进行剥离氧化，制备石墨烯薄片；

(3)在硅橡胶颗粒乳化液中加入石墨烯悬浮液制作导电硅橡胶颗粒悬浮液，在该导电硅橡胶颗粒乳化液中加入聚山梨酯20乳化剂；

(4)在所述的导电硅橡胶颗粒乳化液中加入液体聚二甲基矽氧烷，制作二重乳化液；

(5)将该乳化液制成膏状，黑色的乳化产物放入加热箱中，通过链式反应合成固态的导电压敏纳米硅橡胶。

本发明的有益效果是：

采用水溶液中的乳化法来代替传统的有机溶剂合成法，本方法得到的产品主要含三种成分：(1)硅橡胶纳米颗粒,提供压电反应所需的支持体，(2)石墨烯薄片，提供压电反应所需的导电网络体系，(3)聚二甲基矽氧烷，作为粘合剂把硅橡胶颗粒和石墨烯包裹起来，并给复合材料提供较强的强拉伸性；该制备方法不仅成本低，绿色环保而且能高效生产，避免生产过程中有毒反应物对环境和人体带来的潜在的危害，可根据生产要求，相应产能的设备可以快速搭建，同时产品的性质、产量可以灵活调整。

附图说明

图1为扫描电镜的照片显示的乳化法合成的硅橡胶纳米颗粒图；

图2为扫描电镜的照片显示的石墨烯/聚二甲基矽氧烷硅橡胶纳米颗粒复合材料图；

图3为复合材料制成的压力传感器的性能：电阻变化与拉伸形变的关系图；

图4为复合材料制成的压力传感器用来测试手指的按压关系图。

具体实施方式

本发明的目的是提出一种导电压敏纳米硅橡胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤a:乳化法合成硅橡胶纳米颗粒。取7g液体聚二甲基矽氧烷前驱体和0.7g固化剂搅拌混合在质量比为5.83％的聚乙烯醇水溶液中，将该混合液在电子旋转搅拌器上形成预乳化液，在10000r/min的转速下，用机械搅拌器搅拌该预乳化液；经过40min的搅拌，形成乳白色的乳化液，乳化反应后，将该乳化液放入加热箱中在50℃的下加热8h，，乳化液中的聚二甲基矽氧烷硅橡胶纳米颗粒固化为固体。

步骤b:离心分离硅橡胶纳米颗粒。在乳化液中加入60g去离子水，将硅橡胶纳米颗粒悬浮液放入离心机中，在140000r/min的转速下，反复清洗沉淀，洗去聚乙烯醇，制作硅橡胶纳米颗粒沉淀物。

步骤c：采用专门设计的恒电压反应仪器通过电化学法剥离石墨烯。该电化学反应仪器采用了重力挤压式填充床，在反应中，重力挤压使石墨颗粒之间能够形成很好的接触，保证电极间良好的接触并顺利排出反应中产生的气泡。

在重力挤压器中，其下方设计有开口空洞来促进电解液和产生气体的自由移动。中立挤压器设计同时可用于固定1mkclag/agcl的参比电极，参比电极通过重力挤压器顶部插入至底部，并且在整个反应过程中被固定于此；参比电极的顶部在重力挤压器底部上方约2mm处，对电极中包含了直径为0.25mm长为20cm的钛线圈，线圈连接至恒电压计，工作电极基底为钻石材料电极片。

在反应前将工作电极基底在丙酮中超声处理10min，洗去表面油脂清洗，然后浸没于乙醇中2min，最后用超纯水冲洗数次；将工作电极，对电极和参比电极连接至恒电压电源上；随后将80ml的硫酸铵和硫酸溶液电解液倒于所设计器皿中；通过观察确认石墨床中无石墨颗粒从石墨床中脱离；该电化学剥离的产物通过反复的离心沉淀法来清洗；经过4400r/min的离心洗涤，形成浓度为40mg/ml的泥浆状石墨烯产物。

步骤d:将上述制备的石墨烯泥浆，硅橡胶纳米颗粒沉淀物混合在一起。由于聚二甲基矽氧烷液体不能溶于水中，在该水性混合液中加入聚山梨酯20作为乳化剂，再加入液态聚二甲基矽氧烷，形成二重乳化液。该混合物中各成分的质量比为：硅橡胶纳米颗粒/石墨烯薄片/聚山梨酯20/聚二甲基矽氧烷为1.5：0.2:0.02:0.6。

步骤e:将上述制备的二重乳化液，使用电动搅拌器搅拌均匀。在10000r/min的转速下持续搅拌20min，制成黑色的膏状乳化产物。之后，把该膏状乳化产物放入加热箱中，在50℃下加热2h，期间，液态的聚二甲基矽氧烷将通过链式反应合成固态的聚二甲基矽氧烷复合材料也就是导电压敏纳米硅橡胶。

产物特征说明：

图1的扫描电镜的照片清晰显示乳化法合成的硅橡胶纳米颗粒的直径在0.5—2μm之间；

图1、图2的扫描电镜的照片清晰显示该复合材料中还有均匀分布的石墨烯和硅橡胶纳米颗粒；

该复合材料可以被用于制作压电反应应变感应器。当挤压该复合材料时，其中的橡胶纳米颗粒将会发生较大形变，从而带动石墨烯的连接状态发生变化，最终产生整体电阻的变化。通过计算，可以建立如图3所示的压力形变与电阻变化的关系，得到相关的压力传感器。

从该压力传感器的性能可以看出本发明在传感方面的运用前景。通过改变复合材料中石墨烯的尺寸大小，可以改变该材料的传感灵敏度。高灵敏度下的该材料可以用于制造生命体征传感器。此外，由于该产物为膏状，所以也可以被用作3d打印浆料或喷涂浆料，用于制造各种纳米微电子器件。如图4所示，该材料可以用于3d打印浆料进而制作压力感应器。

以上内容是结合具体的优选实施方案对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演和替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。