一種可拉伸導電線纜及其製備方法與流程
2023-10-09 09:13:24 1
本發明涉及可拉伸電子學領域，具體是指柔性、可拉伸導電複合材料的製備方案以及該類複合材料在柔性電子器件中的應用。
背景技術：
當前，隨著信息技術和智能技術的快速發展，柔性、可穿戴的傳感器、驅動器、顯示器等電子產品已經成為電子器件領域的一個研發熱點。柔性電子器件的首要要求是集成電路在拉伸、彎曲、扭轉等形變下能夠正常工作。因此，開發可耐受任意機械形變的導電材料、進而設計柔性電路，是開發和製備柔性電子器件的重要基礎。
在傳統的電子器件中，主要功能部件由矽基半導體材料構築而成，並採用金屬材料如金、銅等互連，構成集成電路。作為導電互連材料的金、銀、銅等雖然具有優異的導電性，但是金屬材料密度大、易疲勞，無法滿足柔性電子器件可彎曲、可拉伸、質量輕的需求。為了獲得柔性的、可拉伸的導電互連材料，目前主要有兩種方法：一種方法是在彈性體表面構築一層具有特殊結構的導電層，這種「表面覆蓋」的方法可以使導電層在彈性體表面形成褶皺，從而在拉伸過程中保持較穩定的電導。但是由於附著導電層較薄，通過這種方法製得的可拉伸導電材料的電阻通常較大，而且受導電層材料本身力學性能的限制，材料能耐受最大應變通常小於20％。另一種方法是將導電填料和彈性基體通過特定的方式複合，獲得柔性、可導電的複合材料。這種方法簡單有效，通常可以獲得具有較高電導率和較好可拉伸性的材料。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於導電複合材料的柔性、可拉伸導線及其製備方法，該導線具有質輕、成本低廉等優勢以及高電導率、拉伸應變下高電導穩定性等良好的綜合使用性能，製備的過程簡單、無汙染，符合材料環境友好的發展趨勢。
2.可拉伸導電線纜的製備過程可分為三步，具體如附圖1所示。首先將彈性基體與導電填料通過溶劑輔助分散的方式混合均勻、製成母料，再將母料通過熱壓模塑或流延法製成厚度為10-200微米的薄膜，最後將薄膜裁切為條帶狀、取一條或幾條絞捻成線。導電填料的形貌、含量、分散狀態對所得複合材料的電學性能、力學性能有著重要影響，為了獲得高電導率、高斷裂伸長率的複合材料，同時為了降低填料用量、節省材料成本，應優選具有高縱橫比的金屬納米材料與碳納米材料共同填充彈性體，構成三元複合材料。另外，將複合材料薄膜絞捻成線，使複合材料產生一定的預應變，對於提高所得導電線纜在拉伸、釋放循環過程中的電導穩定性有著重要作用。
一種可拉伸導電複合材料線纜，其特徵在於包括兩個主要組成部分：彈性基體和導電填料；彈性基體主要成分為SEBS或TPU(SEBS是苯乙烯(S)-乙烯(E)/丁烯(B)-苯乙烯(S)構成的嵌段共聚物，TPU全稱為熱塑性聚氨酯彈性體)類熱塑性彈性體及必要的添加劑如滑石粉、白油等；導電填料包括銀納米線、銅納米線、碳納米管、銀納米片、銅納米片、表面包覆銀的銅納米片、石墨烯納米片中的一種或幾種混合物。
所述的導電填料形貌為一維線狀或二維片狀，縱橫比大於5。
如上所述可拉伸導電複合材料線纜的製備方法，包括如下步驟：(1)製備母料：將彈性基體與導電填料共混，製得母料；
(2)制膜：利用所得的共混物母料製成導電複合材料薄膜；
(3)製備線纜：將所得導電複合材料薄膜切成條帶狀、再絞捻成線形，製得可拉伸導電線纜。
其中步驟(1)中導電填料的體積份數為5％至20％，導電填料與彈性基體共混方式為溶劑輔助混合。
步驟(2)中複合材料薄膜成型的方法為熱壓模塑成膜或流延成膜，所得薄膜厚度在10-200微米之間。
步驟(3)是先將複合材料薄膜裁切為寬度1至5毫米的細條，取一條或幾條，固定其一端、繞軸向轉動另一端，將條狀薄膜絞捻成線。
該類可拉伸的柔性導線由彈性基體與導電填料複合而成。彈性基體的力學性質為複合材料優良的拉伸性能提供了支撐。另外本發明選擇SEBS、TPU(彈性形變高於500％)類熱塑性彈性體作為基體，這種彈性體通過物理方式構成交聯網絡，有別於典型的通過化學鍵交聯的彈性體，這些彈性體可方便地通過熔融法、溶液法加工成型，材料失效後也方便回收再加工。導電填料均勻分散在彈性基體中，彼此搭接構成導電網絡。填料選擇兼具高本徵電導率和高縱橫比的一維線形或二維片狀納米材料，如銀納米線、銀納米片、銅納米線、銅納米片、表面包覆銀的銅納米片、碳納米管、石墨烯等。填料高的電導率有利於獲得高電導率的複合材料，而高的縱橫比有利於在低填充量下實現完善的導電網絡。
本發明導電複合材料線纜可應用於柔性、可拉伸電子器件的導電連接，該線纜電導率高、可耐大幅拉伸，電導率可達103S/cm，彈性應變可達500％，反覆拉伸釋放10000次電阻變化小於10％。該導線具有質輕、成本低廉等優勢以及高電導率、拉伸應變下高電導穩定性等良好的綜合使用性能，製備的過程簡單、無汙染，符合材料環境友好的發展趨勢。
附圖說明
圖1為可拉伸導電線纜的製備過程圖，
圖2為含不同體積分數導電填料的二元複合體系以及三元複合體系的電導率示意圖，
圖3為可拉伸導電線纜的電阻在交替拉伸至100％應變、釋放循環測試過程中的變化圖。
具體實施方式
下面通過實施例對本發明進行具體描述，有必要指出，以下實施例只用於對本發明作進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的專業技術人員根據本發明的內容作出的一些非本質的改進和調整，仍屬於本發明的保護範圍。
實施例1：材料的製備
(1)按照體積百分比稱取以下物料：SEBS彈性體80％、表面包覆銀的銅納米片15％、碳納米管5％；
(2)使用N,N-二甲基甲醯胺為溶劑，分別製備SEBS的溶液以及導電填料的分散液，將二者混合均勻後再倒入乙醇中進行絮凝，經過濾、乾燥、切粒後得到導電複合材料母料；
(3)將所得複合材料母料在200℃、10MPa下熱壓成膜，通過使用不同的模具來控制膜厚；
(4)將所得複合材料薄膜裁切成寬度為2mm的條帶，固定其一端，將另一端與電機相連使其繞軸旋轉、絞捻成線。控制電機轉數，使複合材料條帶在其長度方向上產生20％的收縮。
實施例2：含不同體積分數導電填料的可拉伸線纜電導率測試
對於根據實施例1中所述試驗方法製備得到的含不同體積分數導電填料的可拉伸導電線纜，分別測試其體積電導率，典型結果如附圖2所示：下方的曲線代表導電填料只有銀包銅納米片的二元複合體系，可以看到隨著填料含量的增加，可拉伸導線的電導率在逐漸增加；上方的曲線代表導電填料為銀包銅納米片和碳納米管的三元複合體系，可以看到，當導電填料的總體積相同時，三元複合體系的電導率較二元複合體系的電導率要高。測得的可拉伸導電線纜的體積電導率可大於1000S/cm。
實施例3：可拉伸導電線纜交替拉伸、釋放循環對電導率的影響測試
將按照實施例1中所述方法製得的可拉伸導電線纜單軸拉伸至100％應變，然後釋放拉力使彈性的導電線纜回縮至初試長度，測試其電導率。重複10000次拉伸、釋放實驗，所得的循環測試對電導率的影響結果如附圖3，在經受10000次拉伸、釋放的循環測試後電導變化小於10％。