一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法和应用与流程

本发明涉及位移传感器，尤其是一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法和应用。

背景技术：

1、碳基导电塑料角度位移传感器以碳基电阻膜作为核心元件，碳基电阻膜在电气、工艺和机械等方面的优异性能赋予了这类位移传感器在成本、精度、寿命、输出平滑性及分辨率等各方面的优势。一般来说，碳基电阻膜是在基片表面形成碳基薄膜构成，其中碳基薄膜由碳基导电剂和聚合物粘结剂构成。然而，实际应用中碳基电阻膜存在几点缺陷：（1）碳基电阻膜表面经过电刷触点往复运动摩擦后易发生疲劳磨损；（2）碳基电阻膜表面的微米/纳米级孔隙可以作为空气中水分子的传输扩散通道而引发内部结构劣化；（3）碳基电阻膜在高温环境下结构发生变化造成电阻值的波动。因而，碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能直接限制了位移传感器在精度、寿命、输出平滑性及分辨率等各方面的性能。

2、一般来说，大多数用于制备碳基电阻膜的碳基电阻浆料主要由碳基导电剂、粘结剂、有机载体和添加剂组成。其中，粘结剂主要起到提高碳基电阻膜与基片之间的连接强度和碳基电阻膜自身的连接强度。因而，粘结剂对碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能起到至关重要的作用。然而，碳基导电剂自身的结构和表面特性同样会影响碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能。例如，无定形碳表面含有大量的羧基、苯酚类、内酯、醌基、酸酐类、醚类官能团，而具有一定的吸湿性；石墨烯、碳纳米管、碳纤维由于其独特的片层二维结构或者高长径比的一维结构易发生团聚，进而造成碳基电阻膜的内部均一性较低。

3、因此，急需要提出一种提高碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能的复合碳材料导电剂的制备方法和应用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法和应用，本发明采用的技术方案如下：

2、一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法，其包括以下步骤：

3、将碳基材料均匀分散于水中，并形成碳基材料的分散液；所述分散液中，1 l水中分散有0.1-10 mg的碳基材料；所述碳基材料为石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、富勒烯、无定形碳中的至少一种；

4、将亲水胶体均匀溶解于分散液中，并形成碳基材料和亲水胶体的混合液；所述亲水胶体与碳基材料的质量比为1:2~1:100；所述亲水胶体为明胶、藻酸盐、生物高聚物、卡拉胶、半乳甘露聚糖、果胶中的至少一种；

5、将混合液进行干燥、研磨，得到碳基材料和亲水胶体的复合物；

6、将碳基材料和亲水胶体的复合物在高温下碳化形成复合碳材料导电剂。

7、优选地，所述生物高聚物为黄原胶或/和小核菌葡聚糖。

8、优选地，所述半乳甘露聚糖为刺槐豆胶或/和瓜尔胶。

9、优选地，所述碳化的温度为800~900 ºc。

10、一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的在位移传感器中应用。

11、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

12、（1）本发明采用石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、富勒烯、无定形碳可以作为导电剂或者添加剂用于提高碳基电阻膜的耐磨性并改善碳基电阻膜的方阻。然而，石墨烯独特的二维片层结构易发生堆叠，且碳纳米管和碳纤维独特的高长径比的一维线状结构易发生团聚，进而降低碳基电阻膜内部结构的一致性而限制了这类材料的应用。本发明考虑到亲水胶体表面具有丰富的官能团，分子水化后在溶液中容易形成网状结构，可以与碳基材料（石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、富勒烯、无定形碳等）形成良好分散的混合液。碳基材料和亲水胶体的混合液经干燥、研磨、高温碳化，可以制备复合碳材料导电剂。亲水胶体改性碳基材料制备的复合碳材料导电剂中，亲水胶体碳化形成的碳颗粒可以作为连接点将碳基材料相互粘结形成多级结构。一方面，可以有效降低石墨烯、碳纳米管、碳纤维等碳基材料在碳基电阻浆料中的宏观聚集；另一方面，可以有效提高碳基电阻膜中碳基材料之间的微观结合力。在高湿热环境下，聚合物粘结剂构成的网状结构易发生劣化，同时电刷在碳基电阻膜表面往复运动造成碳基导电剂颗粒脱离电阻膜。因此，与常规的碳基导电剂相比，亲水胶体改性碳基材料制备的复合碳材料导电剂可以有效提高碳基材料在碳基电阻膜中的分散性和微观作用力，进而有效提高碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐热的性能。

13、 （2）本发明巧妙地采用亲水胶体，其能溶解于水中，并在一定条件下充分化水形成粘稠、滑腻或胶冻溶液的大分子物质，俗称“胶”。亲水胶体具有如下的优点：（1）亲水胶体是从植物和海藻中提取或由微生物合成的具有高分子质量的多聚糖，具有成本低、易制备、环境友好的特点；（2）由于所构成多糖的单糖种类、聚合度、糖单元之间的键连及排列方式、糖单元上经基的取代情况等各异，导致亲水胶体在溶解性、粉度、流体特性、胶溶液对酸碱及温度的稳定性等方面具有良好的可调控性；（3）亲水胶体表面具有丰富的官能团，分子水化后在溶液中容易形成网状结构，可以良好地分散碳基材料（石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、富勒烯、无定形碳等）。因而，亲水胶体与碳基材料的混合物经高温碳化后，可以降低碳基材料的宏观聚集和提高碳基材料的微观作用力，并作为碳基电阻浆料的碳基导电剂用于提高碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能。

14、综上所述，本发明能有效地提高碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能，在位移传感器技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

技术特征：

1.一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法，其特征在于，所述生物高聚物为黄原胶或/和小核菌葡聚糖。

3.根据权利要求1所述的一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法，其特征在于，所述半乳甘露聚糖为刺槐豆胶或/和瓜尔胶。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法，其特征在于，所述碳化的温度为800~900 ºc。

5.一种根据权利要求1~4任一项所述的碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的在位移传感器中应用。

技术总结
本发明公开了一种碳基电阻膜用复合碳材料导电剂的制备方法和应用，包括：将碳基材料均匀分散于水中，并形成碳基材料的分散液；所述碳基材料为石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、富勒烯、无定形碳中的至少一种；将亲水胶体均匀溶解于分散液中，并形成碳基材料和亲水胶体的混合液；所述亲水胶体为明胶、藻酸盐、生物高聚物、卡拉胶、半乳甘露聚糖、果胶中的至少一种；将混合液进行干燥、研磨，得到碳基材料和亲水胶体的复合物；将碳基材料和亲水胶体的复合物在高温下碳化形成复合碳材料导电剂。通过上述方案，本发明能有效地提高碳基电阻膜的耐磨、耐湿、耐高温等性能，在位移传感器技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

技术研发人员：郑俊杰,冯伟,王华昌,吴宝山,王琴,陈其侠,周金榜
受保护的技术使用者：四川永星电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15