一种多功能导电复合材料及其制备方法

本发明涉及一种多功能导电复合材料及其制备方法，属于电磁屏蔽。

背景技术：

1、近年来，电子技术领域的高速发展给人类社会带来了巨大困扰，源自于电子设备带来的电磁干扰(emi)问题，这种无形的电磁辐射一方面会影响人类健康，另一方面电子设备之间发射的电磁波会影响精密设备的运行。为了抑制电磁波对人体的伤害以及对精密电子设备运行的干扰，电磁功能材料被广泛应用以吸收或屏蔽电磁波。对于电磁屏蔽效果，金属材料以其高导电、高强度、低成本等优势展现出了优异的性能。但是，金属材料的密度大，使其不能满足人们对设备和材料轻量化方面的要求。此外，对于复杂形状和微小区域的填充，常规的金属材料的加工和使用难度也比较高。相对于金属屏蔽材料，聚合物基电磁功能复合材料以其易于剪裁、高度可塑、质轻等优点，展现出了更高的应用价值和广泛的潜在应用领域。

2、除了少数的本征导电的聚合物外，大部分的电磁功能聚合物复合材料通常是由聚合物基体和电磁功能填料组成。但是，常用的导电或电磁波吸收填料的密度较高，而且需要进行大比例添加才能形成稳定的导电网络，这也限制了常规电磁功能聚合物复合材料的发展。为了同时达到降低复合材料密度和减少导电填料的用量的目的，可以向基体材料中引入泡孔。这种泡孔结构还能够为复合材料提供一定的弹性，以避免各种精密的电子设备间相互的机械碰撞，延长使用寿命。但是，这种泡孔结构会完全破坏复合材料的导电性的稳定性。因此，如何在保证稳定的导电性的同时，向聚合物复合材料中引入泡孔，并使复合材料在挤压或拉伸变形过程中依然保持导电填料的互通网络仍有很大的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有电磁屏蔽性能、超弹性、导电性和高传感灵敏性的基体材料/可膨胀微球@低维纳米材料复合材料及其制备方法与应用。

2、在复合材料的制备过程中，随着高温固化过程的进行，可膨胀微球随即发生膨胀，其表面包覆的双层低维纳米材料复合层表现出优异的弹性并随其膨胀，以形成具有优异弹性和稳定性的导电层，表现出稳定的电磁屏蔽性能。

3、本发明的第一个目的是提供了一种具有电磁屏蔽功能的超弹性导电复合材料，所述超弹性导电复合材料是由基体材料和功能填料组成的。

4、在本发明的一项实施方式中，基体材料是高分子聚合物，且在固化前为可流动的液态，或与溶剂混合后为可流动状态。

5、优选的，基体材料包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、硅橡胶和氯化橡胶中的至少一种。

6、具体可选的，基体材料是硅橡胶或环氧树脂。

7、具体可选的，所述的硅橡胶是由硅橡胶前体物固化而来；所述前体物包括α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、三氟丙基甲基聚硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷和甲基乙烯基苯基聚硅氧烷中的至少一种。

8、进一步的，所述的功能填料是可膨胀复合微球，可膨胀复合微球为中空结构，从内到外依次为内部包裹的气体、热塑性聚合物和双层导电的球壳。

9、进一步的，所述可膨胀复合微球是可膨胀微球和双层低维纳米材料的复合物，且双层低维纳米材料包覆在可膨胀微球的表面。

10、进一步的，所述可膨胀微球的粒径是1μm-50μm。

11、进一步的，所述的低维纳米材料具体选自碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和二维层状金属碳/氮化物(mxene)中的至少一种。

12、进一步的，所述的复合材料中，基体材料的质量分数为50-95％。

13、进一步的，所述的复合材料中，功能填料的质量分数为5％-50％。

14、本发明的第二个目的是提供一种具有电磁屏蔽功能的超弹性导电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

15、将可膨胀复合微球、基体材料混合均匀，倒入模具后，加热膨胀并固化，即得到具有电磁屏蔽功能的超弹性导电复合材料。

16、进一步的，所述可膨胀复合微球的制备方法，包括如下步骤：

17、(a)将可膨胀微球加入到水中，混匀，得到可膨胀微球分散液；

18、(b)将表面带正电荷的低维纳米材料的分散液加至步骤(a)所得的可膨胀微球分散液中，混匀，得到纳米材料可膨胀微球分散液；

19、(c)将表面带负电荷的低维纳米材料的分散液加至步骤(b)所得的纳米材料可膨胀微球分散液中，混匀，得到混合液；

20、(d)将步骤(c)所得的混合液静置，之后收集上层的固体物，并对其纯化和干燥，即得到可膨胀复合微球。

21、进一步的，步骤(a)中，可膨胀微球分散液的浓度为0.01g/ml-0.05g/ml。

22、进一步的，步骤(b)中，所述的低维纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、二维层状金属碳/氮化物(mxene)和改性的碳纳米管(ncnt)中的至少一种。

23、具体可选的，步骤(b)中，所述的低维纳米材料为改性氧化石墨烯或碳纳米管。

24、进一步的，步骤(b)中，表面带正电荷的低维纳米材料的分散液的浓度为0.0001g/ml-0.005g/ml。

25、进一步的，步骤(b)中，表面带正电荷的低维纳米材料的分散液和可膨胀微球分散液的体积比为1:0.8～4。

26、进一步的，步骤(c)中，所述的低维纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、二维层状金属碳/氮化物(mxene)和改性的碳纳米管(ncnt)中的至少一种。

27、具体可选的，步骤(c)中，所述的低维纳米材料为二维层状金属碳/氮化物或改性的碳纳米管。

28、进一步的，步骤(c)中，表面带负电荷的低维纳米材料的分散液的浓度为0.0001g/ml-0.005g/ml。

29、进一步的，步骤(c)中，表面带负电荷的低维纳米材料的分散液和可膨胀微球分散液的体积比为1:0.8～4。

30、进一步的，表面带正电荷的低维纳米材料的分散液和表面带负电荷的低维纳米材料的分散液的体积比为1:0.8～1.2。

31、进一步的，所述基体材料是硅橡胶或环氧树脂。

32、进一步的，当所述基体材料是硅橡胶时，所添加的原料为硅橡胶前体物和助剂。

33、进一步的，硅橡胶前体物包括α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、三氟丙基甲基聚硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷和甲基乙烯基苯基聚硅氧烷中的至少一种。

34、进一步的，助剂包括固化剂、偶联剂、促进剂、表面活性剂、稀释剂中的至少一种。

35、具体可选的，硅橡胶前体物为α,ω-二羟基聚硅氧烷。

36、具体可选的，助剂为正硅酸甲酯。

37、进一步的，可膨胀复合微球和基体材料的质量比为5～20:100。

38、进一步的，所述加热的温度为90～240℃。

39、本发明提供根据上述方法制备得到的具有电磁屏蔽功能的超弹性导电复合材料。

40、本发明提供的超弹性导电复合材料在电磁屏蔽、静电消除、导电、智能传感、航空航天、军事国防、船舶舰艇、信息通讯领域中的应用。

41、本发明的有益效果在于：

42、本发明通过便捷的原位组装和后膨胀的方法制备出具有电磁屏蔽功能的超弹性导电复合材料，包括基体材料和可膨胀复合微球功能填料，功能填料具有加热后可膨胀的特点，在膨胀过程中，其表面的双层低维纳米材料层不仅能够随其扩大，在此过程中亦能够保持有效的导电网络结构，从而为所制备的超弹性复合材料提供稳定且高效的导电和电磁屏蔽效果。本发明制备得到的复合材料能够在长期使用中提供稳定的性能，并且表现出有效的电磁屏蔽性能和稳定、灵敏的传感信号，在智能传感、航空航天、军事国防、船舶舰艇、信息通讯等环境中具有很好的应用前景。