基于纳米碳填料可拉伸导电聚合物复合材料的制备

张天永; 吴畏; 朱剑; 李彬; 姜爽

doi:10.7536/PC200603

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (3) :417-425 DOI: 10.7536/PC200603

综述

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基于纳米碳填料可拉伸导电聚合物复合材料的制备

张天永 ¹ ,
吴畏 ¹^,² ,
朱剑 ² ,
李彬 ¹^,^* ,
姜爽 ¹^,^*

作者信息 +

Stretchable Conductive Polymer Composites Prepared with Nano-Carbon Fillers

Tianyong Zhang ¹ ,
Wei Wu ¹^,² ,
Jian Zhu ² ,
Bin Li ¹^,^* ,
Shuang Jiang ¹^,^*

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摘要

碳系材料具有导电性强、稳定性好、价格低廉等优点,被广泛用于制备可拉伸导电复合材料,并且在可拉伸、可穿戴电子设备等领域有巨大的应用潜力,引起了研究者的密切关注。本文介绍了碳系材料的种类,主要有炭黑、碳纳米管和石墨烯等;总结了3种纳米复合材料的主要制备工艺:原位聚合法、熔融共混法和溶液混合法,并介绍了传统印刷技术和新型打印技术。分析了复合材料的导电机理,介绍了渗流阈值理论;并重点探讨了其在可拉伸传感器和可拉伸能量储存设备领域的应用。针对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料指出目前研究的不足之处:导电填料分散性差、导电网络不稳定和无法大规模生产等,并提出了多种解决方案。对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料在微型化、可拉伸、可穿戴电子设备领域的应用前景作出了展望。

Abstract

Carbon-based materials have excellent conductivity, good stability, and low price. They are widely used in the preparation of stretchable conductive nanocomposites, and have tremendous application potential in the field of stretchable and wearable electronic devices, which has attracted lots of attention. This paper introduces the carbon-based materials, such as carbon black, carbon nanotubes and graphene. The preparation methods of these nanocomposites are also summarized, such as in-situ polymerization, melt blending and solution mixing, followed by the introduction of traditional and new printing technology. Then this paper analyzes the conductive mechanisms of composite materials including the percolation threshold, and focuses on their application in the field of stretchable sensors and stretchable energy storage devices. The shortcomings of the current research on stretchable conductive composites based on nano-carbon fillers are pointed out: poor dispersion of conductive fillers, unstable conductive network and inability to mass-produce, and the corresponding solutions are put forward. Finally, the applications of stretchable conductive composites based on nano-carbon fillers are prospected, including miniaturized, stretchable and wearable electronic devices.

Contents

1 Introduction

2 Conductive composites based on nano⁃carbon fillers

2.1 Carbon black

2.2 Carbon nanotube

2.3 Graphene

3 Preparation of stretchable conductive composites

3.1 Polymer

3.2 Preparation of conductive ink

3.3 Printing technology

4 Conduction mechanism of stretchable conductive composites based on nano⁃carbon fillers

5 Application

5.1 Stretchable sensors

5.2 Stretchable energy storage device

6 Conclusion

Graphical abstract

关键词

碳材料 / 聚合物 / 复合材料 / 可拉伸电子设备 / 渗流阈值

Key words

carbon material / polymer / composites / stretchable electronic equipment / percolation threshold

引用本文

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张天永, 吴畏, 朱剑, 李彬, 姜爽. 基于纳米碳填料可拉伸导电聚合物复合材料的制备[J]. 化学进展, 2021, 33(3): 417-425 DOI:10.7536/PC200603

Tianyong Zhang, Wei Wu, Jian Zhu, Bin Li, Shuang Jiang. Stretchable Conductive Polymer Composites Prepared with Nano-Carbon Fillers[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(3): 417-425 DOI:10.7536/PC200603

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1 引言

基于纳米碳填料制备的可拉伸导电复合材料是指以碳材料作为导电填料的一种复合材料,可拉伸导电复合材料的关键是能否在大应变下保持导电网络,并且在释放应变后可以恢复其原始性能。一般来说,拥有柔性和弹性的聚合物大部分都没有导电性,而石墨烯、碳纳米管(CNT)、炭黑(CB)等碳材料具有较高的导电性^[1],但没有形变能力,无法拉伸。因此,通常将纳米导电材料和可拉伸聚合物通过特定的方式进行混合以制备可拉伸导电纳米复合材料,并将其应用于应变传感器^[2⇓⇓~5]、可拉伸电池^[6⇓~8]、可拉伸超级电容器^[9⇓~11]和可穿戴医疗设备^[12]领域。与金属导电填料相比,碳材料具有更优异的稳定性和改性能力、更低廉的价格和更轻的质量,因此可以实现大规模生产以满足人们对可拉伸电子设备的需求。

本文综述了近年来基于纳米碳填料的可拉伸导电纳米复合材料的制备及应用,重点介绍了导电填料的种类、制备方式以及打印技术,讨论了可拉伸导电纳米复合材料的导电机理,并且总结了其在可拉伸电子设备领域的应用。

2 基于纳米碳填料制备的导电复合材料简介

碳材料是目前使用最广泛的材料之一,种类繁多,具有稳定性好、价格低、原料储备丰富和生物相容性好等诸多优势,主要有石墨、碳纤维、炭黑、石墨烯、石墨炔、碳纳米管和富勒烯(C₆₀)等。石墨是最常见的一种碳材料,常用于润滑材料、耐腐蚀材料、耐火材料和制备氧化石墨烯的原料,或加工成各种形状用于笔芯、电极等导电材料。碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维,不同纤维的含碳量也不同,沿纤维轴方向具有优异的机械强度和模量,常作为补强材料与聚合物、金属或陶瓷复合制备复合材料,一般不用于制备可拉伸导电纳米复合材料。C₆₀是一种完全由碳组成的新型中空分子,目前多作为电子传输层应用于有机太阳能电池领域,可以提高电池的光电转换效率。石墨炔也是一种全碳纳米结构材料,但是结构与石墨烯有较大差异,不利于电子移动,因此导电性较差,无法应用于制备导电复合材料。而炭黑、石墨烯和碳纳米管(如图1)具有较小的尺寸和优异的电学性能,属于纳米级的导电材料,因此被广泛应用于可拉伸导电纳米复合材料,受到了研究学者的关注,也有众多的研究成果,但是性能仍不足以满足生产生活的实际需求。因此,未来可拉伸导电复合材料的发展趋势必定是多种材料协同作用,不断开发新型碳材料,多种制备工艺相结合,从而制备出性能优异的可拉伸导电纳米复合材料。

2.1 炭黑

炭黑是最主要的碳系填料之一,广泛应用于各种工业生产中。这种纳米材料具有一系列的优势,例如:高比表面积、化学稳定性好、高导热性和导电性以及低成本。炭黑主要是由烃类化合物受热分解或不完全燃烧所产生的。炭黑粒子的大小、结构和导电性,均因原料选择和制造方法的不同而异。炭黑粒子具有无定形和准石墨结构。炭黑的平均粒径为3~100 nm,往往团聚在一起形成聚集体,而这些聚集体又会在范德华力的作用下形成更大的空间网络结构聚结体^[13]。Wen等^[14]使用炭黑和聚二甲基硅氧烷制备了可拉伸导电复合材料,具有良好的导电性和机械稳定性,并用于组装生物微芯片。Bhagavatheswaran等^[15]将炭黑和丁苯橡胶混合,并加入二氧化硅颗粒防止炭黑的团聚,成功地制备出了电导率为40 S·m^-1,最大拉伸为200%的导电复合材料,实现在压力传感器方面的应用。Kim等^[6]使用炭黑和碳纳米管混合后与聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT,常称为Ecoflex)制备了复合材料,作为集流体应用在水系锂离子电池中,在100%的应变下依旧可以正常工作。图2为炭黑导电纳米复合材料的拉伸导电性能图,可以看出电导率普遍较低,但是加入碳纳米管后可以明显提高复合材料的电导率^[6,14,15]

2.2 碳纳米管

在本质上,碳纳米管是一种由石墨烯片层(六边形结构)按照特定的螺旋角度卷曲形成的中空圆柱管状结构。碳纳米管有两种类型:(1)单壁碳纳米管(SWCNT),可以看作是卷成圆柱体的单个石墨烯片;(2)多壁碳纳米管(MWCNT),可以看作是多个石墨烯同心层的堆叠。碳纳米管的制备方法有多种,主要有电弧蒸发法、激光烧蚀、化学气相沉积(CVD)等^[16,17]。碳纳米管具有高模量、高刚度和低密度的性质,其弹性模量高达1.8 TPa,并且具有优异的导电性能,是制备复合材料的理想材料。Someya等^[18]将单壁碳纳米管和氟化橡胶进行混合,得到的复合材料具有大于100 S·cm^-1的电导率和超过100%的拉伸性,并成功构建了可拉伸有源矩阵显示器。Kim等^[19]使用通过化学气相沉积得到的MWCNT与聚氨酯进行混合制备了复合材料,该复合材料在10%~20%的应变内几乎观察不到电导率的下降。Zhang等^[20]使用还原氧化石墨烯(rGO)和碳纳米管共同作为导电填料、使用丁苯橡胶作为聚合物制备了复合材料,电导率达3.62 S·cm^-1,并且可以在低拉伸应变下保持稳定。图3为碳纳米管导电纳米复合材料的拉伸导电性能,与炭黑导电纳米复合材料相比,其性能显著提高^{[6,18⇓ ~20]}。

2.3 石墨烯

石墨烯由排列成二维蜂窝状晶格的单层碳原子组成,可通过变形得到其他的碳材料。石墨烯具有多种优异的性质,例如高比表面积(2630 m²·g^-1)^[21]、优异的热和化学稳定性、高电导率、高电子迁移率(200 000 cm²·v^-1·s^-1)^[22]和机械柔韧性^[23,24]。同时,石墨烯及其衍生物的独特性质,例如氧化石墨烯(GO)和rGO,使其成为构建自支撑石墨烯复合材料的基础,并赋予复合材料优异的电学、力学和热性能。Kim等^[25]使用石墨烯泡沫和聚二甲基硅氧烷制备了可拉伸石墨烯蜂窝结构,具有72 S·m^-1的电导率,并以该材料作为电路成功制备了可拉伸的发光显示器。Cheng等^[26]通过化学气相沉积制备了具有3D结构的石墨烯,使用聚二甲基硅氧烷填充后制得了复合材料,具有出色的导电性能,能够作为可拉伸导体应用在多种领域。Qu等^[27]使用石墨烯和聚氨酯纤维制备了可拉伸的导电纤维,能够用于应变传感器和可拉伸导体。图4为上述石墨烯导电纳米复合材料拉伸导电示意图,但通常都是使用聚合物渗滤3D结构的石墨烯,过程较为复杂,不利于大规模制备以及使用^{[20,25⇓ ~27]}

3 可拉伸导电复合材料的制备

3.1 聚合物基体

尽管弹性纳米复合材料的电导率在很大程度上受掺入的导电填料的电性能的影响,但是可拉伸的聚合物基体对于维持较大机械形变下渗流网络的稳定有着关键作用^[28]。除此之外,导电填料的浓度和类型也会影响弹性复合材料的机械性能^[29]。例如,杨氏模量一般会随着导电填料的增加而增大。

聚二甲基硅氧烷和Ecoflex是一类化学交联的弹性体,被广泛用作可拉伸导电复合材料的弹性基质。通过控制固化温度和交联剂的用量,可以控制弹性聚合物的杨氏模量和最大伸长应变^[30]。导电填料通常在弹性体的交联反应期间嵌入弹性体的上表层或分散在弹性体基质中。但是过多的导电填料也会阻碍交联反应的发生。与化学交联的弹性体相反,物理交联的弹性体不依赖与聚合物链之间的共价键,即使导电填料大量存在的情况下也会发生交联^[31]。此外,这种弹性复合物可以通过溶解在溶剂中或者热压的方式进行重塑,这种优异的可加工性能有利于制备形状各异的可拉伸电子设备。但是电导率的大小取决于复合材料中所用导电填料的比例,弹性导体的刚度也会随着导电填料的增加而增加。因此为了最大程度提高电导率并优化复合材料的机械性能,必须在电导率和可拉伸性之间进行权衡。

3.2 导电油墨的制备工艺

纳米碳填料导电油墨的制备方式主要有原位聚合、熔融共混和溶液共混法,如图5所示。无论选择哪一种方法,导电填料在聚合物中的分散性都是至关重要的。这是因为弹性导电复合材料的最终性能取决于导电填料在聚合物中的分散形态。

3.2.1 原位聚合法

原位聚合法常用于纳米碳填料导电油墨的制备,并且导电填料在聚合物基体中具有高度分散性。在该方法中,将导电填料和所需聚合物单体充分混合均匀。使用引发剂和热量来引发聚合反应,并通过控制温度、压力或时间来调节复合材料的性能。Hu等^[32]采用原位乳液聚合的方法制备了石墨烯/聚苯乙烯复合材料,聚合物单体吸附在石墨烯的表面使其在有机溶剂中充分分散,通过该方法制备的复合材料具有优异的导电性能,并且显著提高了聚苯乙烯的玻璃化转变温度。原位聚合法有许多优于其他方法的优势,例如高混溶性,碳系填料在聚合物基体中可以均匀分散,并且与聚合物基体之间有牢固的相互作用,保证了复合材料结构可控及其优异的性能。但是,由于聚合物黏度普遍较大,使用该方法制备的复合材料不利于进一步加工。

3.2.2 熔融共混法

熔融共混也是常用的方法之一。该方法是指在高温条件下将聚合物熔融并与导电填料充分混合,单螺杆或双螺杆挤出机和注塑机是熔融共混常用的设备。这种方法操作简单、步骤少,有利于导电复合材料的大规模生产制备。但同时由于聚合物的黏度较大,不利于导电填料的均匀分散,往往需要加入较多的填料才能获得较高的电导率。Duan等^[33]采用熔融共混法制备了MWCNT/苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)导电复合材料,所得的复合材料渗流阈值为0.98 wt%,但是通过熔融共混得到的导电网络较为无序,使其在应变下容易破坏。熔融共混法具有独特的优势,可以不添加酸性化学物质和溶剂,直接使用高温和剪切力将填料接枝到聚合物链上,从而批量生产合成各种聚合物复合材料,但该方法的局限性是在机械混合过程中导电填料在聚合物基体中的分散性较差。

3.2.3 溶液混合法

溶液混合法是制备纳米碳填料导电油墨最常用的方法,这种方法几乎不需要能耗,也不需要复杂的设备。通常,该方法首先将导电填料和聚合物基体混合在合适的有机溶剂中,如N, N-二甲基甲酰胺(DMF),然后通过超声处理、机械或磁力搅拌将导电填料充分分散在聚合物基质中得到导电油墨。随后将油墨通过各种印刷方式制备成可拉伸导体,此外也可以通过添加表面活性剂促进导电填料均匀分散^[34]。Hwang等^[35]使用表面活性剂修饰了酸处理后的MWCNT,通过溶液共混法制备了MWCNT/聚酰胺66复合材料,并证明了MWCNT在聚合物基质中的均匀分散性,结果表明添加表面活性剂的复合材料的电学性能和机械性能较未添加的复合材料提升了约20%。该方法因其易于加工,低能耗,并且导电填料在聚合物基质中的分散更均匀可控,已经广泛应用于碳系导电复合材料的制备。正是因为溶液混合法具有使碳系导电填料均匀分散在聚合物基质中的能力,成为了制备基于纳米碳填料的可拉伸导电复合材料最有前景的方法。

3.3 印刷技术

导电油墨往往需要多种印刷技术才能制得复合材料。近年来,研究学者已经通过多种印刷技术在弹性基底上打印功能性油墨,以制备基于纳米碳填料的可拉伸导电复合材料^[36]。印刷技术主要分为传统印刷和数码印刷两种,传统印刷技术一般分为刮涂、丝网印刷、网版印刷、柔版印刷和喷涂,数码印刷一般分为3D打印和喷墨打印^[37],具体过程如图6所示。与传统的微制造技术相比,印刷技术价格便宜,并且可以按照需求大规模制备集流体、电极等柔性组件。

(1)刮涂

刮涂是可拉伸电子设备的大规模生产中最常用的印刷技术(图6a)。刮涂的工作原理是将刮刀放置在基底上,并在刮刀的一侧放置油墨,刮刀和基底之间保持一定的距离。刮刀以一定的速度在基底上移动,以均匀分散墨水,然后将基底放入干燥箱或在室温下进行干燥。由于刮涂法是毯式涂布工艺,因此不能用于在基底上对油墨进行构图。薄膜干燥后的厚度取决于油墨的浓度和黏度,具有大颗粒的油墨干燥后趋于收缩,而具有纳米颗粒的油墨在干燥过程中容易形成微孔,使成品的完整度降低。

(2)网版印刷

网版印刷是指按照需求切割塑料或金属模板,并将其放在基底上,使用橡胶刮刀在模板上推动油墨前进,当刮刀移动至终点时移走模板,最后模板的图案就被转移到基底上(图6b)。此外,可以通过调整油墨的浓度或模板的厚度以改变涂层的厚度,但油墨的浓度不能太低以防止从网版边缘渗出。

(3)喷涂

喷涂法可使用多种黏度油墨在任意表面进行印刷(图6c)。喷涂印刷的基础是带有高速压缩运载气体的喷枪,压缩气体将油墨雾化并喷至目标基底上。通过调整喷嘴大小、气体压力、油墨成分和喷涂次数等参数可以控制喷涂层的厚度。该方法最大的优势是可以在各种不平整的表面上进行喷涂印刷,例如泡沫和各种网状结构。由于喷涂印刷的油墨干燥速度较快,因此可以依次打印可拉伸电子设备的不同组件,大大缩短了生产时间。

(4)柔版印刷

柔版印刷是一种基于网版的高速印刷工艺,该方法使用凸版将图案转移至基底上(图6d)。根据图案的复杂程度,可以分多步打印得到最终图案。标准的柔版印刷工艺包括四个滚筒:浸渍辊、网纹辊、印刷辊筒和压印辊。通过柔版印刷得到的墨水图案厚度很低,为了增加图像的厚度往往需要多套印刷设备同时工作。

(5)丝网印刷

丝网印刷是指将编制物、金属丝网或合成纤维固定在支撑框架上,并通过在丝网上填充光敏乳剂,然后选择性地进行交联,并使用溶剂去除未交联部分,从而在网孔中形成所需的图案,图案处具有孔隙可供油墨渗透(图6e)。将油墨放置在丝网的一端,刮板携带油墨朝另一端线性移动,同时刮板下压使丝网和基底接触,刮板通过孔隙后油墨就转移到了基底上。该方法在工业上广泛应用于在织物上印刷文本和图像,因此可以大规模地制备可拉伸电子设备。

(6)喷墨打印

喷墨打印是数码印刷的一种方式(图6f)。使用该技术可以将油墨滴到基底上形成所需图案,可以达到1200 dpi(每英寸墨滴数)的分辨率,分辨率取决于墨水的质量和打印喷头的性能。通过喷嘴对墨水进行机械压缩,或者加热墨水以增加其压力来形成墨滴,印刷层厚度最终取决于墨滴的数量、体积、浓度和印刷层的覆盖面积。通常油墨需要多种溶剂混合以获得所需性能。为了防止油墨中填料的析出堵塞喷头,常常向油墨中添加表面活性剂以增加颗粒之间的空间排斥防止团聚,从而改善导电颗粒在油墨中的分散性。同其他印刷技术相比,喷墨印刷速度较慢,印刷层相对较薄,这限制了其印刷较厚的可拉伸电子设备。

(7)3D打印

3D打印系统主要由电脑、点胶机和注射器组成,可以用来打印黏度范围较宽的油墨,通过调节点胶机输出的压力可以使油墨以细丝或墨滴的形式打印(图6g)。与其他印刷方法相比,3D打印对油墨的要求更为严苛。3D打印可通过在基底上打印重复的线条或墨滴的形式绘制图案,与其他打印方式相比,该方法更有利于打印较小面积的电子设备^[36]。

4 基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料的导电机理

导电纳米复合材料的电导率是与可拉伸电子设备的性能直接相关的关键参数之一。但是大部分聚合物不导电,因此通常将导电填料掺入弹性聚合物基体中以赋予所需的导电性。导电填料在聚合物基质中形成了导电通路,电导率代表电子在导电通路中的传输能力,可以用渗流理论(该理论旨在描述绝缘弹性体介质中随机分布的导电填料之间的连通性)分析和预测这些弹性导电复合材料的电导率^[38]。渗流理论也是目前被研究最多的导电机理。

渗流理论中最重要的概念就是渗流阈值,其定义为在给定的复合材料中构建连续导电通路所需的最小导电填料体积分数^[39]。正如可以从定义预测的那样:当导电填料的体积分数低于渗流阈值时,复合材料因没有完整的导电通路而处于近乎绝缘态;当体积分数接近渗流阈值时,随着微小的变化,复合材料从绝缘体向导体急剧转变,如图7所示。值得一提的是,渗流阈值仅可以表明存在导电通路,并不能确定复合材料的最大电导率。因此在实际操作中常使用超过渗流阈值的大量导电填料以提高复合材料的电导率。对由弹性聚合物和导电纳米填料组成的弹性导电复合物的2D或3D渗滤网络进行研究后,总结得出了预测复合材料电导率的公式(1)^[40]:

(1)

σ = σ 0 (φ - φ 0) t

其中,σ是复合材料的电导率,σ₀是导电填料的本征电导率,φ是导电填料的体积分数,φ₀是渗流阈值,t是一个常数(一般认为,t值为1.1~1.3时导电复合材料内部为二维导电网络体系;t值为1.6~2.0时导电复合材料内部为三维导电网络体系^[41])。

通常,具有高纵横比和一定取向能力的导电填料,其渗流阈值往往较低。由于纳米材料合成的不断进步,现在有许多可以用来制备弹性导体的高长径比导电填料,如碳纳米管等。但是导电填料的极端排列(高长径比导电填料相互平行),也会降低渗流网络的导电性。导电填料在弹性导体上的实际应用需要进行多种分析,因为实际的操作结果通常会不同于理论预测,因此往往需要多种理论分析相结合。渗流理论的本质是导电填料粒子间距小于1 nm时发生欧姆接触形成导电通路,导电填料含量越高,其相互接触的几率就越大,导电网络就越完善,复合材料的导电性就越好。当弹性导电复合材料中导电填料的含量小于渗流阈值时,往往认为导电粒子的间距在10 nm以上,形成的电场较小,此时通过热振动使电子跃迁产生隧道电流的隧道效应理论占主导作用^[42,43]。当复合材料中导电填料的含量接近渗流阈值时,认为导电粒子的间距在1~10 nm之间,此时场致发射理论占主导作用,即导电粒子间产生发射电场,使电子穿越绝缘层形成电流。因此,弹性导体在实际应用下的导电机理往往并不是单一的^[44]。

5 应用

5.1 可拉伸传感器

与其他导电填料相比,碳材料具有独特的优势,例如良好的导电性、优异的稳定性、良好的生物相容性以及易于功能化^[45,46]。但碳材料种类多样,形成的导电网络也各不相同,若导电复合材料的电阻在应变下发生明显的规律性变化,并且在应变消除后恢复初始值,则说明该材料具有优异的灵敏度和循环稳定性。因此基于纳米碳填料制备的可拉伸导电复合材料可广泛应用于各种可拉伸传感器领域,例如应变传感器、压力传感器和温度传感器等,具体见表1。

5.2 可拉伸能量储存设备

传统的电池或超级电容器在受到拉伸、弯曲等外力作用时功能往往下降甚至丧失,因此能量储存设备的可拉伸化成为了研究的热点^[52]。当基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料中的导电网络在应变下能够保持稳定连通,并且复合材料可以保持结构的完整,则说明该材料具有优异的拉伸导电性能。因此基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料可作为电极,应用于超级电容器,作为集流体应用于电池,或者应用于纳米发电机等能量收集设备,具体见表2。

除了可拉伸传感器和可拉伸能量储存设备外,基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料还有其他多种应用。Someya等^[18]将单壁碳纳米管和氟化橡胶进行混合,得到的复合材料具有大于100 S·cm^-1的电导率和超过100%的拉伸性,并成功构建了可拉伸有源矩阵显示器(图8a)。Liu等^[20]将rGO和碳纳米管混合,与丁苯橡胶通过乳液混合的方式制备出了具有优异导电性的导电复合材料,并用作可拉伸导体(图8b)。Kim等^[25]使用石墨烯泡沫和聚二甲基硅氧烷制备了可拉伸石墨烯蜂窝结构,具有72 S·m^-1的电导率,并以该材料作为电路成功制备了可拉伸的发光显示器(图8c)。

6 结论

可拉伸导电纳米复合材料是新型可拉伸电子设备的重要组成部分,但贵金属导电填料价格昂贵,且化学稳定性较差,因此贵金属导电纳米复合材料不能够在可拉伸电子设备中进行大规模生产和应用。使用碳系填料制备的可拉伸导电纳米复合材料为可拉伸电子设备提供了新的研究方向。本文综述了碳系导电填料的种类、复合材料的制备方法和导电机理,以及基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料在不同领域中的应用。

然而,有关基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料的研究和应用还处在起步阶段,仍然面临着诸多问题和挑战,如导电填料分散性较差、导电网络不稳定和无法大规模生产等,这些问题限制复合材料在可拉伸电子领域的进一步发展。今后针对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料的研究将主要集中在以下几个方面:①选择合适的混合方法,使用一定的化学添加剂提高导电填料在聚合物中的分散性;②多种碳材料共同使用以构建稳定且高效的导电网络;③碳材料改性能力强,需根据具体应用对碳材料进行改性;④使用新型印刷技术实现可拉伸电子设备制备的微型化、规模化。通过对已有研究的总结,期望基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料能够更好地应用于可拉伸电子设备领域,并推动相关研究领域的进步。

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Received	Published	Revised
2020-06-01	2021-03-20	2020-07-07
Online Date
2020-11-30

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