一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法和应用

本发明涉及纳米材料表面改性领域与导电复合材料领域，具体涉及一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、液态金属(lm)是一类在室温下具有流动性的高电导率金属，与刚性导电填料相比具有理论上可无限变形的能力，在复合材料领域中这样的可变形性能够有效减小柔性复合材料填料与基体之间的模量失配问题，而填料分散状态是影响复合材料性能的重要因素，故如何让lm在复合材料中均匀分散尤为重要。传统的方法利用简单超声或是搅拌，将lm破碎成微小液滴，分散在溶剂中，一般为水溶液。一方面，即使lm表面容易生成氧化层(ga2o3)，该氧化层能够减缓lm液滴之间的重新结合，但很难形成稳定的分散液。另一方面通常采用水溶液作为溶剂，lm中的镓在水溶液中容易生成gaooh晶体，在超声处理下，还会加速gaooh晶体的生成。因此，制备一种稳定的lm分散液仍是一个挑战，尤其是应用在复合材料领域时，解决lm的均匀分散问题至关重要。

2、目前，公开报道的提高lm分散液稳定性的方法基本都是表面改性，例如加入高分子溶液(公开号cn 105108162 a)、引入微凝胶保护层(公开号cn 110655827a)、引入多巴胺(公开号cn 114456681 a)等，这些方法会在破碎的lm微小液滴表面生成包覆层或保护层，一方面使lm不再容易团聚成大液滴，另一方面使包覆后的lm液滴能依靠保护层的作用力在溶剂中更均匀的分散。但必须注意的是这些保护层通常通过化学反应引入，同时保护层无导电性，这将在lm表面形成绝缘层，限制了lm的应用。

3、公开号cn 114605870 a中公开了一种本征导电的物质对lm液滴表面进行改性，使用碳纳米管包覆在lm液滴表面，获得了高导电性能的导电油墨。但是该制备工艺步骤多，相对复杂，且未经酸化的碳纳米管对lm液滴的包覆有限，无法充分发挥改善分散性的潜力，当应用于复合材料时，无法实现填料的均匀分散。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法和应用。本发明在lm液滴表面包覆本征导电的酸化碳纳米管(cnts-o)，一步法制备出lm@cnts-o，且在无水乙醇中具有高度分散稳定性，24h内lm无沉降分层，合成过程避开了水溶液，无gaooh等副产物生成。同时本发明将该填料与硅胶、水性聚氨酯或水凝胶基体复合，制备出了lm均匀分散的复合材料，基本解决了lm填料与基体材料密度差大而带来的分散不均匀的问题。

2、根据本发明的目的，本发明一方面提供了一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

3、1)将100质量份的液态金属与0.5～2质量份的酸化碳纳米管加入到无水乙醇溶剂中，冰水浴超声处理，得到液态金属@酸化碳纳米管分散液；

4、2)将步骤1)得到的液态金属@酸化碳纳米管分散液抽滤洗涤烘干，得到液态金属@酸化碳纳米管填料；

5、3)将步骤2)得到的液态金属@酸化碳纳米管填料与30～3000质量份的聚合物基体混合均匀，固化得到复合材料。

6、作为本发明的优选方案，冰水浴超声处理采用的是超声波细胞破碎仪，优选参数为超声功率360w，时间15min，工作间隔为每2s停顿0.5s。

7、作为本发明的优选方案，所述酸化碳纳米管为经过酸化处理的碳纳米管，表面富集羧基与羟基含氧官能团。

8、本发明还提供了一种上述方法制备得到的液态金属@酸化碳纳米管复合材料。

9、本发明还进一步提供了一种上述的液态金属@酸化碳纳米管复合材料在制备可穿戴设备、导热导电材料或电磁屏蔽材料中的应用。

10、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：

11、(1)本发明采用了超声处理的制备工艺，一步法制备了液态金属@酸化碳纳米管填料，克服了现有技术中制备工艺步骤多的问题，可以达到简化制备工艺的效果，有利于降本增效。

12、(2)本发明采用了酸化碳纳米管包覆lm液滴，包覆层均匀，包覆效果好。且酸化碳纳米管包覆层导电性好，解决了传统包覆层不导电的问题，获得了高导电性填料。

13、(3)本发明采用了无水乙醇作为一步法制备液态金属@酸化碳纳米管填料的溶剂，克服了现有技术在超声处理时采用水等溶剂而带来的gaooh晶体杂质生成的问题，从而获得了无副产物的液态金属@酸化碳纳米管。

14、(4)利用酸化碳纳米管表面富集的含氧官能团，不仅实现了均匀包覆和导电，还实现液态金属@酸化碳纳米管填料在无水乙醇溶剂中的均匀稳定分散，解决了复合材料中lm填料与基体材料密度差大而带来的分散不均匀的问题。

技术特征：

1.一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属@酸化碳纳米管复合材料按以下步骤制备得到：

2.根据权利要求1所述的一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于冰水浴超声处理采用的是超声波细胞破碎仪，参数为超声功率270～540w，时间10～20min，工作间隔为每2s停顿0.5s。

3.根据权利要求1所述的一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤1)中液态金属与无水乙醇的体积比为1：4～19。

4.根据权利要求1所述的一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述酸化碳纳米管为经过酸化处理的碳纳米管，表面富集羧基与羟基含氧官能团。

6.根据权利要求1所述的一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述聚合物基体为硅橡胶、水性聚氨酯、环氧树脂、水凝胶或聚酰亚胺中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述液态金属@酸化碳纳米管颗粒平均粒径为1.22um，粒径尺寸范围为0.35～3.20um。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述方法制备得到的液态金属@酸化碳纳米管复合材料。

9.权利要求8所述的液态金属@酸化碳纳米管复合材料在制备可穿戴设备、导热导电材料或电磁屏蔽材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种一步法制备液态金属@酸化碳纳米管复合材料的制备方法和应用，涉及纳米材料表面改性领域与导电复合材料领域。液态金属@酸化碳纳米管(LM@CNTs‑O)采用超声处理一步法制备，其结构为酸化碳纳米管(CNTs‑O)分布在液态金属(LM)液滴小球的表面。LM@CNTs‑O填料与聚合物基体复合，制备出填料均匀分散的复合材料。本发明利用CNTs‑O对LM液滴小球表面进行改性，不仅提高了LM在溶剂中的分散稳定性，更改善了LM与复合材料之间高密度差而带来的LM沉降严重，分散不均匀的问题。由于制备工艺简单，能一步法制备，且本发明的LM@CNTs‑O导电性好，在复合材料中的分散性好，能广泛应用于可穿戴设备、导电导热、电磁屏蔽等领域。

技术研发人员：秦发祥,陈彦霖,彭梦月
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15