一种高性能导电弹性复合材料的制备方法与流程

本发明涉及柔性电子器件领域，特别是涉及一种高性能导电弹性复合材料及制备方法，在大形变下具有良好的导电性能，且可用作人工肌肉。

背景技术：

随着柔性机器人和可穿戴电子设备的快速发展，其对构成柔性电子器件关键材料的弹性导电体的导电和力学性能提出了越来越高的要求。然而，现有技术制备出的导电弹性体很难具备高的电导率和大形变下电阻稳定的导电性能，并且具有适于工业应用的可塑性特点。

为实现这些性能，有研究人员用液态金属填充弹性体中的微通道构建连续性导电单元，以确保不同形变下电流的稳定传输，并针对于液态金属的泄露而导致电路断开的问题，还设计了可自主自愈的液态金属弹性体复合材料，该复合材料在小形变下电阻变化稳定。还有研究人员将金属纳米颗粒或碳纳米材料掺入到弹性体中，这种方法简单易行，通常可以获得较大的形变和较好的导电性能，然而，由于导电材料在弹性体中的非连续分布导致其在大形变拉伸下，导电层断裂，电阻急剧增大。针对大形变下电阻变化较大的问题，研究人员又设计了褶皱结构或螺旋结构，即在预拉伸的弹性体上复合导电材料，释放后获得具有双层褶皱结构的导电弹性体在大幅度形变下能保持电阻稳定性。这种方法制备的导电弹性体虽然保证了导电层在拉伸方向的连续性，但随着拉伸过程中宽度方向的长度变化容易出现宽度方向上导电层断裂的问题，使得电阻急剧增加，影响导电性能。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种以双轴拉伸-释放弹性体情况下，逐层复合导电材料的导电弹性材料制备方法，这种双轴拉伸弹性体的方式使得弹性体在拉伸过程中保持宽度不变，避免了复合在弹性体上面的弹性材料在形变过程中断裂现象，具备优异且稳定的导电性能的同时，也可用作人工肌肉。

一种高性能导电弹性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，制备具有形变能力弹性体：使用热塑性橡胶sebs、白油、胶黏剂、滑石粉按照一定比例热熔搅拌混匀，通过挤压成型得到弹性体，再裁剪成所需尺寸，作为弹性基底。将热塑性橡胶sebs溶解在环己烷中，制备sebs溶液，均匀喷涂在弹性基底上，制成sebs/rubber复合结构，sebs层厚度不要太大，否则影响导电性。

其次，将sebs/rubber复合物拉伸至所需长度，在拉伸过程中保证弹性体在宽度大小不变，用夹具将拉伸后的弹性体固定在支撑板上，在其表面均匀复合导电材料，形成conductivematerial/sebs/rubber复合结构，为增加弹性体与导电层的粘附力，在弹性体表面喷涂一层橡胶溶液，所述橡胶溶液是将sebs溶解在环己烷中制得。

待橡胶溶液干燥后，缓慢释放该导电弹性体复合物，保持宽度大小不变，再在其上面喷涂一定厚度橡胶溶液，形成rubber/conductivematerials/rubber结构，该橡胶溶液对导电弹性体主要起到支撑和保护的作用，重复该步骤m次，就可以制得rubber/（conductivematerials）m/rubber结构的导电弹性复合材料，如图1所示，该制备方法有效的避免了导电弹性复合材料在大形变下导电层断裂的现象，在反复弯折、拉伸、高温等条件下电阻变化较小，具有良好的力学和电学性能。

所述弹性体可以是天然橡胶、合成天然橡胶、丁腈橡胶(nbr)、乙烯丙烯橡胶(epdm)、苯乙烯-丁二烯橡胶(sbr)、丁二烯橡胶(br)、氯丁橡胶(cr)、硅橡胶、氟橡胶、丙烯酸橡胶、氢化丁腈橡胶、聚氨酯橡胶等或者他们某一种或多种的聚合物，优选的，所述弹性体为乙烯-丁烯-聚苯乙烯线性三嵌聚合物（sebs）。

所述导电层可以是金属纳米颗粒，金属纳米线，碳纳米管，石墨烯等中一种或多种复合物，优选的，所述导电层是银纳米颗粒或碳纳米管。

所述弹性体与导电层的复合方法可以采用喷涂、溅射、电沉积等，优选的，所述复合方法是喷涂。

一般来说，随着导电层数的增加，电导率也是增加的，如图2所示，以银纳米颗粒作为导电层制备的不同导电层数的复合导电材料，在整个形变过程中，随着导电层数的增加，电导率也是增加的，在相同拉伸倍数下，导电层数为5时，其电导率为84.6s/cm，导电层数为20时，其电导率为102s/cm。电导率计算公式如下：

,其中，σc是电导率，rc是电阻，sc是横截面积，lc是长度。

将代入，得到，其中，tc是厚度，wc是宽度。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的导电复合弹性材料制备流程图。

图2是本发明的不同导电层数的导电复合弹性材料电导率变化数据图。

图3是本实施例中弹性复合导电材料的电学性能数据图。

图4是本实施例中弹性复合导电材料在收缩-释放过程中对电路导电性能影响。

图5是本实施例中弹性复合导电材料模拟人工肌肉在不同负重下收缩驱动数据图。

具体实施方式

实施例一：

弹性体选用热塑性橡胶sebs，即嵌段共聚物苯乙烯-（乙烯-丁烯）-苯乙烯，将sebs与液体石蜡以1:5（重量比）比例混合，再加入胶黏剂（3%）和少量滑石粉，95℃加热熔融制备而成，裁剪成20mm×8mm×0.98mm，作为复合材料的弹性基底；将sebs以5%（重量比）溶解在环己烷中，超声条件下使其充分溶解，制成sebs溶液。将该sebs溶液均匀喷涂在未拉伸状态的弹性基底上，形成sebs层，厚度约为350mm，构成sebs/rubber结构，将该sebs/rubber结构拉伸至原长的2.5倍，在拉伸过程中保持弹性基底宽度不变，用夹具将其四周固定。

在拉伸状态下的sebs/rubber结构上均匀喷涂纳米银溶液，所述纳米银溶液是由尺寸为140±70nm的银纳米颗粒超声分散在乙醇中制备而成。银纳米层厚度为24.6mm，形成nanosilver/sebs/rubber复合结构。为增加导电层与弹性体层的粘附性，在nanosilver/sebs/rubber复合结构上面喷涂厚度约10mm的sebs层，该sebs层还能有效避免导电层的断裂和分层。

缓慢释放上述nanosilver/sebs/rubber复合结构，并保持其宽度不变，再在其表面均匀喷涂一层厚度约为90mmsebs层，以起到支撑和保护作用，重复以上操作5次，移除橡胶基底后，制备的弹性复合导电材料为(nanosilver/sebs)5。检测该弹性复合导电材料在反复弯折、压缩、拉伸-释放以及高温下的电学性能，如图3所示，由图可知，该弹性复合导电材料在不同直径刚性轴上进行不同幅度弯折，电阻变化几乎为零；将弹性复合导电材料进行150%反复应变10000次以上电阻变化很小；而且该弹性复合导电材料在大尺寸压缩以及高温下（75℃）电阻也几乎没有变化，具有良好的导电性能和力学性能。

实施例二：

本实施例中的弹性体和银纳米颗粒的制备方法同实施例一，不同的是，本实施例中的导电层，即银纳米层的层数为20，随着厚度的增加，弹性复合导电材料可拉伸倍数降低，制备的弹性复合导电材料为(nanosilver/sebs)20，将该复合材料接入带有电机的电路中，电路图及实物图如图4所示，m≡20，该复合材料在0-100%形变中，电路中电机可以稳定带动负重为400g的砝码，具有良好的导电性能。

实施例三：

本实施例的弹性体同实施例一，导电材料为浓度为0.2%（重量比）的碳纳米管分散液，将该碳纳米管分散液均匀喷涂在拉伸后的sebs/rubber结构中，烘干后，该碳纳米管层厚度约为20mm，形成swcnts/sebs/rubber的复合结构。重复以上步骤4次，制备具有4层导电层的弹性导电复合材料（swcnts/sebs）4，厚度为2mm左右，如图5所示，m≡4，用该弹性复合导电材料制备的人工肌肉模拟在不同负重下的收缩驱动情况，由图可知，随着负重的增加，该弹性导电复合材料拉伸应变和做功能力呈先增加后降低的趋势，在1.6mpa负重左右，该复合材料的做功能力最大，为11.1j/kg，非常接近自然肌肉的做功能力。

另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。