可拉伸液态金属/聚氨酯导电弹性体复合材料的制备与性能研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:xutao6310794
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高度可拉伸的导体在可穿戴电子设备,软机器人和人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景,引起了人们的极大关注。研究人员已经开发出许多高性能可拉伸导体,其中在橡胶中混合或沉积导电填料或导电组分以三维网络嵌入弹性体基体的制备方法简单并且导电性能良好。然而,将刚性导体与弹性体复合可致其可拉伸性下降和导电稳定性不佳。尽管可以通过使用低熔点液态金属(LM)作为导电填料来部分解决这些问题,但复杂的注射过程、大量消耗昂贵的LM和LM的泄露等问题仍然限制其大规模应用。本课题将LM纳米化和巯基偶联剂改性,然后通过氢键自组装到聚多巴胺(PDA)改性的3D聚氨酯海绵(PUS)表面最后进行机械烧结使液态金属纳米颗粒(LMNPS)层转变为LM导电层来制备可拉伸的柔性导电弹性体复合材料,主要研究内容如下:(1)通过超声处理并采用不同巯基偶联剂改性制备了 LMNPS,研究发现LMNPS的平均粒径为111~559nm,表面为一层2.5~4.7nm的氧化层,最外层为巯基偶联剂的单分子自组装层(SAM),液态金属破碎时氧化过程和形成SAM存在竞争关系且LMNPS的表面性质由SAM决定。进一步研究了 LMNPS粒径与制备工艺条件的关系,发现采用短链偶联剂改性会削弱氧化过程,容易使纳米颗粒融合导致颗粒平均粒径增大。长链偶联剂形成SAM的耗时较形成氧化膜耗时相对较长,容易使液态金属充分纳米化,从而颗粒平均粒径减小。适当的液态金属浓度有利于提高剪切效率使LMNPS粒径减小。超声中存在生成液态金属纳米颗粒的平衡过程,若未达到平衡时间,延长超声时间有助于降低颗粒粒径。(2)基于巯基偶联剂改性LMNPS和聚多巴胺修饰聚氨酯海绵弹性体制备了可拉伸导电弹性体复合材料。采用聚多巴胺修饰聚氨酯海绵弹性体,LMNPS表面偶联剂的巯基与液态金属表面氧化层进行配位作用,而偶联剂另一端羧基与聚多巴胺表面的羟基和胺基存在氢键作用并驱动LMNPS在聚氨酯海绵表面自组装,形成一层致密且均匀的LMNPS层。进一步采用机械烧结的方法使LMNPS挤压破碎转变为2D LM层包覆在改性聚氨酯海绵骨架表面,成功制备了可拉伸导电弹性体复合材料。(3)通过海绵浸蘸LMNPS分散液次数控制LM含量并实现对复合材料电导率的控制,所得复合材料的最高电导率达478 S cm-1。进一步探究了可拉伸导电弹性体复合材料的导电稳定性,发现LM负载量为15.4 mg mg-1时,在50%的应变下,复合材料的ΔR/R0仅为2%,表明其具有高导电稳定性。此外,在压缩循环、小应变拉伸(≤30%)、弯曲、弯曲循环等小形变下复合材料均表现出良好的导电稳定性:其最大ΔR/R0仅为0.02~0.06。此外,研究发现界面设计有助于减少复合材料在压缩等应变条件下的泄露,复合材料中基体经聚多巴胺处理后其LM泄漏更低。
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