阅读说明：本技术 一种基于一维、二维材料的力致导电胶的制备与应用 (A kind of preparation and application causing conducting resinl based on one-dimensional, two-dimensional material power ) 是由 张久洋 楼洋 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于一维、二维材料的力致导电粘合剂的制备与应用,在一维、二维材料的表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致响应导电膜,形成力致导电材料,其制备方法是将液态金属以超声的方式分散于易挥发溶剂中形成液态金属悬浊液,再将该液态金属悬浊液喷洒与于一维、二维基质表面,制备出基于一维、二维材料表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致导电材料。本导电胶的应用包括(1)各类设备的力感应部件,例如柔性触摸屏,智能布料,机器人的触觉交互部件等。(2)用作各种电路的导电粘合剂。(The invention discloses a kind of preparation and application that electroconductive binder is caused based on one-dimensional, two-dimensional material power, on one-dimensional, two-dimensional material surface, coating liquid-metal layer causes response conductive film as the power of conductive filler, it forms power and causes conductive material, preparation method is to disperse liquid metal in a manner of ultrasound formation liquid metal suspension in easy volatile solvent, again by the liquid metal turbid liquid spraying and Yu Yiwei, two-dimentional stromal surface, the power cause conductive material based on one-dimensional, two-dimensional material surface coating liquid-metal layer as conductive filler is prepared.The application of this conducting resinl includes that the power of (1) various kinds of equipment incudes component, such as flexible touch screen, intelligent cloth, haptic interaction component of robot etc..(2) it is used as the electroconductive binder of various circuits.)

一种基于一维、二维材料的力致导电胶的制备与应用

技术领域

本发明是一种基于一维、二维材料的力致导电胶的制备与应用，属于力致导电材料制备的技术领域。

背景技术

力致电响应柔性封装材料在生物医学工程，机器人，柔性电子器件，导电 3D打印材料等领域有广泛应用。大部分导电柔性材料的导电性来自于导电填料，柔性来自于胶粘剂。在受到外力的情况下，胶粘剂的柔性可以实现内部导电填料的移动，导致导电性能的改变，从而实现力致电响应。导电填料的导电性能，尺寸，形状以及胶粘剂的强度和柔性都极大地影响力致电响应柔性材料的导电性能和力学强度。

电子封装产业的崛起趋势日趋明显，显示器，传感器等产品已经从实验室走向市场，因此开发新型易加工，高性能的力致电响应封装材料具有重大意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于一维、二维材料的力致导电封装材料(胶)的制备方法。另一目的在于一种基于一维、二维材料的力致导电封装材料(胶)的应用方法。通过调节液态金属和一维、二维材料的比例可以实现对液态金属层厚度的控制，进而控制力致导电材料的导电性能。

技术方案：本发明的一种基于一维、二维材料的力致导电胶的制备方法是在一维、二维材料的表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致响应导电膜，形成力致导电材料，其制备方法是将液态金属以超声的方式分散于易挥发溶剂中形成液态金属悬浊液，再将该液态金属悬浊液喷洒与于一维、二维基质表面，制备出基于一维、二维材料表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致导电胶。

所述在一维、二维材料的表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致响应导电膜，形成力致导电材料，其制备方法还有：用机械搅拌或浸润的方式将液态金属涂覆于一维、二维材料的基质表面，即将导电填料通过机械搅拌的方法混入胶粘剂中，用高温加热固化，化学引发，溶剂挥发的方法将液态金属涂覆于一维、二维材料的基质表面。

所述导电填料与胶粘剂的混合物平铺于一块电路基板表面，再将另一块带有电极的电路基板置于所述混合物上，上下两层基板需对齐，形成夹层结构；通过热压，化学引发固化的方法使力致导电胶上下基板粘接，此时该导电填料与胶粘剂的混合物薄膜在上下两电极间有良好的导电性而水平方向处于绝缘状态。

所述的液态金属层材料为单质镓、以及含铟、锌、铋、镉、锡、铅、镝或铟作为辅助成分的共晶型低熔点合金，其熔点均低于150摄氏度。

所述的一维、二维材料，包括高分子纤维、无机材料、氧化物纳米线；材料形貌包括不同尺寸的纳米棒、纳米管、纳米线、纳米纤维或纳米薄膜。

所述的高分子纤维的材料包括尼龙、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯；无机材料包括石墨烯片层、碳纳米管、硅、二氧化硅纳米线、金属纳米线或纳米片；氧化物纳米线材料包括氧化铜，氧化锌，氧化钙。

所述的胶粘剂由主剂及助剂组成；胶粘剂的主剂包括包括：

热固性胶粘剂：环氧树脂类胶粘剂、酚醛树脂类胶粘剂、不饱和聚酯类胶粘剂、聚氨酯类胶粘剂、聚酰亚胺类胶粘剂、烯丙基树脂类胶粘剂、醇酸树脂类胶粘剂；

热塑性胶粘剂：聚乙烯类胶粘剂、聚丙烯类胶粘剂、聚氯乙烯类胶粘剂、丙烯酸树脂类胶粘剂、聚碳酸酯类胶粘剂；

改性的多组分胶粘剂：酚醛-环氧型胶粘剂、酚醛-聚氨酯型胶粘剂、酚醛- 丁晴橡胶型胶粘剂、酚醛-聚乙烯醇缩醛型胶粘剂、环氧-聚酰胺型胶粘剂；

胶粘剂的助剂为固化剂、引发剂、催化剂、促进剂、交联剂、稀释剂、增塑剂、增韧剂、增稠剂或稳定剂。

本发明所述方法制备的基于一维、二维材料的力致导电胶的应用是：将该力致导电胶用于各类设备的力感应部件。

所述的力感应部件包括柔性触摸屏、智能布料、机器人的触觉交互部件。

所述的力感应部件，所引发力感应部件材料导电通路的外力，包括压力，剪切力或弯折力，在以上外力作用下，在力的方向上材料的电阻急剧减小，使电路导通。

将表面涂覆有液态金属层的一维、二维材料基质作为导电填料与胶粘剂原料结合，制得力致导电材料，制得的材料在外力作用下，受力部位的导电性能会发生变化。

有益效果：

与传统含导电填料的力致导电胶相比，本发明有以下优点：

(1)本专利中申明的导电填料是表面涂覆有液态金属的一维、二维材料，通过调节液态金属和一维、二维材料的比例可以实现对液态金属层厚度的控制，进而控制力致导电材料的导电性能。

(2)本专利中申明的导电填料为表面涂覆有液态金属层的粒子，其中液态金属涂层为单质镓、以及含铟、锌、铋、镉、锡、铅、镝、铟等元素作为辅助成分的共晶型低熔点合金，其熔点均低于150摄氏度，相比固态导电填料具有更强的流动性。

(3)本专利中申明的导电填料为表面涂覆有液态金属层的一维、二维材料，通过机械切割或化学腐蚀等方式可对基质的尺寸进行控制。

(4)本专利中申明的基质为纳米棒、纳米管、纳米线、纳米纤维和纳米薄片等材料，对密度较大，容易聚集的液态金属起到很好的分散作用，使材料在加工后不会出现导电填料沉积的情况，导电性能均一稳定。

(5)本专利中基于纳米棒、纳米管、纳米线、纳米纤维和纳米薄膜等一维、二维材料表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致导电膜的电阻范围大，通过加大外力的大小，可将导电膜在外力方向上的电阻从数十兆欧降至1欧姆以下。

(6)本专利中的力致导电膜对于外力的电响应适用于多种力，例如压力，剪切力，弯折力等，在受力方向上电阻急剧下降，使电路导通。

附图说明

图1是未涂覆液态金属层的聚酯纤维，

图2是涂覆有液态金属层的聚酯纤维。

具体实施方式

本发明可以通过以下技术方案实现：

一种基于一维、二维材料的力致导电胶的制备与应用，包含以下步骤：

步骤(1)制备基于一维、二维材料表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致导电材料：将液态金属以超声的方式分散于易挥发溶剂中，再将液态金属液滴悬浊液喷洒与于一维、二维基质(一维、二维基质包括不同尺寸的纳米棒、纳米管、纳米线、纳米纤维和纳米薄膜等)表面，或用机械搅拌，浸润等方式将液态金属涂覆与一维、二维基质表面，再将表面涂有液态金属的导电填料通过机械搅拌的方法混入胶粘剂中，用高温加热固化，化学引发，溶剂挥发等方法使材料成型，储存备用；

步骤(2)基于一维、二维材料表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致导电胶的使用方法：将该力致导电材料安装于各类设备的力感应部件，例如柔性触摸屏，智能布料，机器人的触觉交互部件等，连接电路及数据接收器，即可收集外力产生的电信号，外力可包括压力，剪切力，弯折力等。除此之外，将导电填料与胶粘剂的混合物平铺于电路基板表面，再将另一块带有电极的基板置于混合物上上下两层基板需对齐，形成夹层结构。通过热压，化学引发固化等方法使力致导电胶将上下基板粘接，此时该薄膜在上下两电极间有良好的导电性而水平方向处于绝缘状态。

为了更好地说明本发明，下面结合实例进行进一步阐述，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实例。

制备过程实例(以聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维作为导电填料的基质为例)

步骤(1)制备表面涂覆液态金属层的聚酯纤维作为力致导电薄膜的导电填料

将一定量的液态金属用喷涂、机械搅拌或溶剂挥发的方式涂覆与聚酯纤维上，得到以聚酯纤维为芯，液态金属涂层为皮的皮芯结构，室温存储备用。

步骤(2)制备表面涂覆液态金属层的聚酯纤维与环氧树脂的混合物

将一定量的表面涂覆液态金属层的聚酯纤维加入一定量环氧树脂中，机械搅拌即获得均匀的表面涂覆液态金属层的聚酯纤维与环氧树脂的混合物，室温存储备用。

步骤(3)制备聚酯纤维表面涂覆液态金属层作为导电填料的力致导电膜

将表面涂覆液态金属层的聚酯纤维与环氧树脂的混合物高温加热固化，冷却至室温备用。z轴方向的电阻随着施加的力的大小的增加，可从50MΩ降至50m Ω以下，而始终保持垂直于外力的各个方向均处于绝缘状态。

应用实例(以聚酯纤维作为导电填料的导电材料的应用为例)

以涂覆液态金属的聚酯纤维与胶粘剂混合物涂于带有电极的基板表面，再将另一块带有电极的基板置于混合物上(上下两层基板需精准对齐，确保上下两层基板的电极能够精准对齐，以保证导电胶的各向异性)，形成三明治夹层结构。经过高温固化成型，冷却至室温备用。根据胶粘剂的玻璃化温度设置加工温度(温度一般高于玻璃化温度30℃)，在此温度环境下对样品施加垂直于样品方向的压力，在保持压力的情况下冷却恢复至室温，得到各向异性导电胶。此时导电胶在沿外力的方向上具有良好的导电性，并保持垂直于外力的各个方向均处于绝缘状态(导通电阻值低于100mΩ)。

除此之外，通过与不同力学性能的胶粘剂结合，可制备对力学有不同响应灵敏度的力致导电胶，比如将导电填料与硅橡胶混合，高温加热加压固化，固化后的导电材料柔软有弹性，可用机器人的触觉感应器。

虽然，上文中的一般性说明以及具体实例已对本发明做了详尽描述，但在本发明基础上对所列举的原材料以及反应参数的上下限、区间取值都能实现本发明，这里就不做额外赘述。

性能测试：

拉伸性能测试：按CB/T 1040.3-2006进行，采用SANS E42.503型微机控制电子万能试验机在室温测试，拉伸速率为5mm/min，每种样品需测试5个样条，结果求平均值。拉伸韧性可通过对拉伸应力-应变曲线进行积分获得。

压缩性能测试：按CB/T 1040.3-2006进行，采用SANS E42.503型微机控制电子万能试验机在室温测试，压缩速率为1mm/min，每种样品需测试5个样条，结果求平均值。

冲击强度：用冲击试验机测试，按照GB/T 1843-2008进行，选择简支梁模式，测试温度为室温。

硬度性能分析：用邵氏硬度计测试，测试温度为室温。

差示扫描量热仪：采用DSC25 TA差示扫描量热仪进行测试。样品在氮气保护进行测试，升温速率为5℃/min，温度扫描范围为20-300℃。

动态热机械性能测试：利用Q800型动态热力学分析仪进行测试，测试模式为双悬臂，样品尺寸为80mm×10mm×4mm，升温速率为3℃/min，频率为1Hz，测试温度范围为0-200℃。

热重分析：利用TG 209F1型热重分析仪进行测试，样品在氮气保护进行测试，升温速率为10℃/min，温度扫描范围为25-800℃。

扫描电镜表征：样品拉伸测试断裂面表面形貌结构可通过FEI Nova Nano SEM450扫描电镜进行测试。

导电性测试：Keysight 34461A在室温下采用双线模式监控电阻随时间变化。电源线周期数(NPLC)和测量范围为0.02和自动模式，而测量选项为电阻2W。电线将矩形样品的两侧连接到Keysight 34461A。上述过程中，所有导线都通过绝缘带牢固地固定。