化學鍍功能粒子及其柔性導電膜的制備與性能研究.pdf

1、近年來，柔性導電材料發(fā)展迅速，因其兼具優(yōu)異的機械可拉伸性和高導電性能，即在較大拉伸應變(100％)下和反復拉伸上百次后導電性能變化不大，因而在柔性傳感器、柔性薄膜太陽能電池、柔性超級電容器等方面具有潛在的應用價值。然而柔性導電材料的導電填料如碳納米管(CNTs)及其雜化材料存在成本高昂、工藝復雜等問題，因而大規(guī)模生產(chǎn)受到限制，開發(fā)低成本、高導電性能的導電填料，可控設計穩(wěn)健型結(jié)構(gòu)柔性導電膜，是實現(xiàn)柔性導電材料應用和工業(yè)化生產(chǎn)的關鍵。本文以

2、化學鍍法制備的Co/玻璃微珠(或玻璃纖維)電磁復合粒子、Cu/玻璃微珠(或玻璃纖維)和Ag/玻璃纖維導電復合粒子(分別簡稱Co/GMs(或GFs)、Cu/GMs(或GFs)和Ag/GFs)作為導電填料，以液體硅橡膠作為柔性基體，制備出性能優(yōu)異的 Co/玻璃微珠(或玻璃纖維)、Cu/玻璃微珠(或玻璃纖維)和Ag/玻璃纖維柔性導電膜。主要研究內(nèi)容及實驗結(jié)果如下：
　　(1)系統(tǒng)研究了化學鍍鈷溶液的溫度、絡合劑、還原劑、pH調(diào)節(jié)劑用量以

3、及時間等工藝參數(shù)對Co/GMs(或GFs)電磁復合粒子的微觀形貌和導電性能的影響。結(jié)果表明：最佳工藝條件下制備的 Co/GMs(或 GFs)電磁復合粒子的鍍層光滑致密、包覆完整，結(jié)合力強，呈現(xiàn)明顯的密排六方晶體結(jié)構(gòu)(hcp)。Co/GMs和Co/GFs電磁復合粒子的體積電阻率分別為3.50×10-3Ω·cm和4.20×10-3Ω·cm。Co/GMs電磁復合粒子的飽和磁化強度為21.1 emu/g，矯頑力為382.9 Oe，具有明顯的軟磁

4、特性。
　　(2)以水合肼為還原劑，系統(tǒng)研究了化學鍍銅溶液的溫度、主鹽、絡合劑、pH調(diào)節(jié)劑用量對Cu/GMs導電復合粒子的微觀形貌和導電性能的影響。實驗結(jié)果顯示：最佳工藝條件下制備的 Cu/GMs導電復合粒子具有良好的微觀形貌，其體積電阻率可達4.28×10-4Ω·cm，鍍層為面心立方晶體結(jié)構(gòu)(fcc)。Na3C6H5O7·2H2O/NH3·H2O絡合體系下Cu/GFs導電復合粒子的鍍層由300~500 nm的Cu粒子緊密排列組成

5、，鍍層表面均勻、致密，沒有多余的顆粒存在；EDTA·2Na/NaOH絡合體系的鍍層表面包覆雖然完整，但鍍層表面及周圍有多余顆粒存在。兩種體系Cu/GFs導電復合粒子的體積電阻率分別為5.78×10-4Ω·cm和1.0×10-3Ω·cm，均為fcc晶型。
　　(3)以自制Co/GMs和 Co/GFs電磁復合粒子為功能填料，液體硅橡膠為基體，創(chuàng)新性地提出了“三明治”結(jié)構(gòu)（基體/(填料+基體)/基體）柔性導電膜的設計新思路并采用室溫流延

6、的成型方法制備出可大面積生產(chǎn)的柔性導電膜。研究了Co/玻璃纖維柔性導電膜在不同填料量下的導電性能、拉伸應變導電性能和磁場誘導效應。數(shù)據(jù)顯示，填料用量為23.08 wt.%時，“三明治”結(jié)構(gòu)Co/玻璃纖維柔性導電膜的體積電阻率為0.464Ω·cm，拉伸至100%時體積電阻率為8.54Ω·cm。外磁場誘導下其體積電阻率隨著磁場強度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，平行和垂直方向的導電性能呈現(xiàn)各項異性，當外加磁場強度為100 mT時，平行和垂直方

7、向的體積電阻率均達到最小值0.15Ω·cm和0.21Ω·cm。“簡單”結(jié)構(gòu)柔性導電膜的導電性能差，磁場作用下導電各向異性更加明顯，且其體積電阻率隨著磁場強度的增大而增大。
　　(4)以自制Cu/GMs和Cu/GFs導電復合粒子為功能填料，液體硅橡膠為柔性基體，制備了“簡單”和“三明治”兩種結(jié)構(gòu)柔性導電膜，研究了填料、溶劑和固化劑用量對“三明治”結(jié)構(gòu) Cu/玻璃纖維柔性導電膜的導電性能和力學性能的影響，分析了 Cu/玻璃纖維柔性導電

8、膜在不同填料量下的力學-導電性能和抗氧化性能。實驗結(jié)果顯示：填料用量為13.79 wt.%時，“三明治”結(jié)構(gòu)Cu/玻璃纖維柔性導電膜的體積電阻率可達0.0248Ω·cm，拉伸至100%時為0.0765Ω·cm，反復拉伸200次為0.0534Ω·cm，與LED連接具有很好的發(fā)光效果；而“簡單”結(jié)構(gòu)Cu/玻璃纖維柔性導電膜的導電性能、力學-導電性能和抗氧化性能均不如“三明治”結(jié)構(gòu)Cu/玻璃纖維柔性導電膜。
　　(5)在 Cu/玻璃纖維

9、柔性導電膜的研究基礎上，采用相同的工藝制備了不同填料量的“三明治”結(jié)構(gòu)Ag/玻璃纖維柔性導電膜，研究了不同填料量下導電膜的力學-導電性能和抗氧化性能。實驗結(jié)果顯示：“三明治”結(jié)構(gòu)Ag/玻璃纖維柔性導電膜的滲濾閥值為1.5wt.%，維度參數(shù)為1.787，屬于典型的三維導電網(wǎng)絡。當填料用量為13.79 wt.%的Ag/玻璃纖維柔性導電膜拉伸至100%時，其體積電阻率由未拉伸時的0.0434Ω·cm上升為0.281Ω·cm，反復拉伸100次后