本發(fā)明涉及導(dǎo)電墨水領(lǐng)域，尤其涉及一種彈性納米纖維導(dǎo)電墨水及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的導(dǎo)電墨水的是由導(dǎo)電相、粘結(jié)相、有機(jī)載體組成，將導(dǎo)電相分散在有機(jī)載體中所采用的方法是物理共混摻雜法，這種分散方法不能將導(dǎo)電相均勻地分散在有機(jī)載體中，導(dǎo)致導(dǎo)電墨水成膜后其電學(xué)性能不穩(wěn)定；而且分散不均勻的導(dǎo)電相在有機(jī)載體中形成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低了成膜后導(dǎo)電墨水的力學(xué)性能；其次，傳統(tǒng)的導(dǎo)電相是銅鎳等較活潑的金屬納米顆粒，這種導(dǎo)電相極易被氧化，進(jìn)而影響導(dǎo)電相的導(dǎo)電性以及其與有機(jī)載體的結(jié)合力。

中國(guó)發(fā)明專利(授權(quán)公告號(hào)CN102093774B授權(quán)公告日2013.11.06)公開了一種導(dǎo)電墨水及其制備方法，該導(dǎo)電墨水包括質(zhì)量百分比為0.5～5％的碳納米管、質(zhì)量百分比為7～25％的鱗片石墨、有機(jī)載體、粘結(jié)劑、分散劑、薄膜增強(qiáng)劑以及溶劑，利用粘結(jié)劑與薄膜增強(qiáng)劑將鱗片石墨粘結(jié)在碳納米管表面，但是采用這種粘結(jié)的方式易造成鱗片石墨在碳納米管表面分散不均勻的問題，而且由于采用的導(dǎo)電物質(zhì)是碳納米管與石墨導(dǎo)致該導(dǎo)電墨水成膜后其柔彈性不佳，不能較好地應(yīng)用于電子皮膚領(lǐng)域。

中國(guó)發(fā)明專利(授權(quán)公告號(hào)CN101077950B授公告日2010.05.19)公開了一種導(dǎo)電墨水及其制備方法和應(yīng)用，該制備方法是：將噻吩單體，催化劑和摻雜劑在溶劑中，攪拌反應(yīng)，然后再加含有催化劑的溶劑，攪拌反應(yīng)，在加入粘度調(diào)節(jié)劑，攪拌分散，將反應(yīng)液在層析柱中采用陰陽離子交換樹脂處理，在加入金屬粉末，攪拌得到導(dǎo)電墨水。該導(dǎo)電墨水可用于印刷標(biāo)簽RFID天線，這種導(dǎo)電墨水的柔彈性不佳，其力學(xué)性能不能較好地適用于電子皮膚領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法，其制備方法簡(jiǎn)單，效率高，適合批量生產(chǎn)，制備得到的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水柔性強(qiáng)，導(dǎo)電性好。

本發(fā)明的另一目的是提供上述彈性納米纖維導(dǎo)電墨水在壓力傳感及電子皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種彈性納米纖維導(dǎo)電墨水，包括導(dǎo)電物質(zhì)、基體材料以及溶劑，其中，導(dǎo)電物質(zhì)為聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩中的一種；基體材料為納米纖維；溶劑為有機(jī)揮發(fā)性溶劑；基體材料均勻地懸浮在溶劑中，導(dǎo)電物質(zhì)均勻的鍍覆在基體材料表面。

優(yōu)選地，所述彈性納米纖維導(dǎo)電墨水中納米纖維的含量為5～25g/L，導(dǎo)電物質(zhì)的含量為0.01～0.2mol/L；納米纖維的原料為熱塑性彈性體，納米纖維的直徑為500～800nm；有機(jī)揮發(fā)性溶劑為乙醇、乙醚、正己烷、丙酮中的一種。

更優(yōu)選地，所述熱塑性彈性體為聚烯烴熱塑性彈性體、苯乙烯類熱塑性彈性體、聚氨酯熱塑性彈性體和聚酰胺熱塑性彈性體中的一種。

更優(yōu)選地，所述納米纖維的原料為聚烯烴熱塑性彈性體；導(dǎo)電物質(zhì)為聚吡咯；有機(jī)揮發(fā)性溶劑為乙醚。

一種上述的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)納米纖維的制備：

將熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯混合均勻后，采用螺桿擠出機(jī)擠出并拉伸成彈性纖維，利用丙酮去除彈性纖維中的醋酸纖維素，即得到納米纖維；

2)納米纖維懸浮液的制備：

向納米纖維中加入有機(jī)揮發(fā)性溶劑并用高剪切分散機(jī)進(jìn)行剪切分散處理制成納米纖維懸浮液；

3)彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備：

向納米纖維懸浮液中加入導(dǎo)電高分子單體和氧化摻雜劑進(jìn)行原位聚合反應(yīng)得到聚合液，反應(yīng)完后用有機(jī)揮發(fā)性溶劑清洗聚合液，即得彈性納米纖維導(dǎo)電墨水。

本發(fā)明較好的技術(shù)方案是：彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法，具體包括以下步驟：

1)納米纖維的制備：

稱取熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯，熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯的重量比為1：8～10，混合均勻后采用螺桿擠出機(jī)擠出并拉伸成彈性纖維，用丙酮浸泡彈性纖維以去除彈性纖維中的醋酸纖維素，即得到納米纖維；

2)納米纖維懸浮液的制備：

向納米纖維中加入有機(jī)揮發(fā)性溶劑并用高剪切分散機(jī)進(jìn)行剪切，控制納米纖維的含量為5～25g/L，剪切速度為3000～10000r/min，剪切時(shí)間為100～120s，即制成納米纖維懸浮液；

3)彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備：

將納米纖維懸浮液置于冰浴磁力攪拌器中攪拌，并向納米纖維懸浮中加入0.001～0.02mol/L導(dǎo)電高分子單體和0.003～0.06mol/L氧化摻雜劑，原位聚合反應(yīng)8～12h得到聚合液，反應(yīng)完畢，用有機(jī)揮發(fā)性溶劑清洗聚合液3～4次，直到濾液澄清即得到彈性納米纖維導(dǎo)電墨水。

更優(yōu)選地，所述氧化摻雜劑為FeCl₃、Fe(NO₃)₃；所述納米纖維的直徑為500～800nm；所述熱塑性彈性體為聚烯烴熱塑性彈性體、苯乙烯類熱塑性彈性體、聚氨酯熱塑性彈性體和聚酰胺熱塑性彈性體中的一種；所述導(dǎo)電高分子單體為吡咯、苯胺和噻吩中一種，所述導(dǎo)電高分子單體的粒徑為200nm～10um；所述有機(jī)揮發(fā)性溶劑為乙醇、乙醚、正己烷、丙酮中的一種；

更有選地，所述步驟3)中導(dǎo)電高分子單體與氧化摻雜劑的摩爾比為1：3。

一種上述的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的應(yīng)用，所述彈性納米纖維導(dǎo)電墨水在壓力傳感及電子皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用。

優(yōu)選地，所述彈性納米纖維導(dǎo)電墨水應(yīng)用于電子皮膚的壓力傳感器。

以FeCl₃氧化摻雜劑，吡咯導(dǎo)電高分子單體為例，原位反應(yīng)的過程為：

首先形成吡咯預(yù)聚體，如反應(yīng)式：

然后吡咯預(yù)聚體在納米纖維表面大量聚集為聚吡咯。形成的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水，包括懸浮在有機(jī)揮發(fā)性溶劑中的納米纖維，納米纖維表面均勻地附著有聚吡咯。

從以上形成吡咯預(yù)聚體的反應(yīng)式中可以看出，F(xiàn)eCl₃與吡咯的摩爾比為1:1，但是為了讓吡咯充分反應(yīng)完，故加入過量的FeCl₃。

本發(fā)明的有益效果在于：

1，以納米纖維為基體材料一方面可以借助納米纖維高比表面積來提高導(dǎo)電物質(zhì)的比重，從而提高導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電性；另一方面采用原位聚合反應(yīng)使得導(dǎo)電物質(zhì)均勻鍍覆在納米纖維表面，可以很好的解決傳統(tǒng)導(dǎo)電墨水導(dǎo)電物質(zhì)在有機(jī)基體中分散不均勻的問題。

2，納米纖維采用熱塑性彈性體，利用納米纖維的柔彈性可以使制備得到的導(dǎo)電墨水更好的應(yīng)用于壓力傳感及電子皮膚領(lǐng)域。

3，本發(fā)明制得的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水中導(dǎo)電物質(zhì)分散均勻，成型后力學(xué)性能較好。

4，本發(fā)明采用的有機(jī)揮發(fā)性溶劑，如乙醇、乙醚、正己烷、丙酮，這些溶劑既能分散納米纖維又能作為進(jìn)行原位聚合反應(yīng)的體系溶劑。

附圖說明

圖1為聚烯烴熱塑性彈性體的納米纖維表面鍍覆聚吡咯的電鏡掃描圖片；

圖2為聚烯烴熱塑性彈性體的納米纖維的電鏡掃描圖片。

具體實(shí)施方式

為更好地理解本發(fā)明，以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

為解決現(xiàn)有導(dǎo)電墨水通過印刷或其他形式成型后柔性不好的問題，本發(fā)明提供了一種彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法，其基體材料采用納米纖維，利用納米纖維高比表面來提高導(dǎo)電物質(zhì)的比重，提高導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電性，而且納米纖維采用熱塑性彈性體原料，制備出的導(dǎo)電墨水即具有納米纖維的高柔彈性。以下將通過具體的實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式進(jìn)行詳細(xì)地說明。

實(shí)施例1

彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法：

1)納米纖維的制備：

稱取聚烯烴熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯，聚烯烴熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯的重量比為1：9，混合均勻后采用螺桿擠出機(jī)擠出并拉伸成彈性纖維，用丙酮浸泡彈性纖維以去除彈性纖維中的醋酸纖維素，即得到納米纖維；所得的納米纖維的直徑為500nm；螺桿擠出機(jī)各段的溫度如表1所示：

表1雙螺桿擠出機(jī)各段的溫度

2)納米纖維懸浮液的制備：

向納米纖維中加入乙醚并用高剪切分散機(jī)進(jìn)行剪切，控制納米纖維的含量為10g/L，剪切速度為5000r/min，剪切時(shí)間為120s，即制成納米纖維懸浮液；

3)彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備：

將納米纖維懸浮液置于冰浴磁力攪拌器中攪拌，并向納米纖維懸浮中加入0.001mol/L吡咯和0.003mol/L FeCl₃，原位聚合反應(yīng)10h得到聚合液，反應(yīng)完畢，用有乙醚清洗聚合液3次，直到濾液澄清即得到彈性納米纖維導(dǎo)電墨水。吡咯的粒徑為200nm。

實(shí)施例1制得的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水，包括原料為聚烯烴熱塑性彈性體的納米纖維的含量為10g/L，聚吡咯的含量為0.001mol/L，納米纖維的直徑為500nm，納米纖維均勻地懸浮在乙醚中，參考圖1與圖2，聚吡咯均勻的鍍覆在納米纖維表面。該彈性納米纖維導(dǎo)電墨水成膜后的電導(dǎo)率為0.2823S/m，斷裂伸長(zhǎng)率30.12％，斷裂強(qiáng)度0.1142MPa。

實(shí)施例2

彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法：

1)納米纖維的制備：

稱取苯乙烯類熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯，苯乙烯類熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯的重量比為1：8，混合均勻后采用螺桿擠出機(jī)擠出并拉伸成彈性纖維，用丙酮浸泡彈性纖維以去除彈性纖維中的醋酸纖維素，即得到納米纖維；納米纖維的直徑為800nm；螺桿擠出機(jī)各段的溫度如表2所示：

表2雙螺桿擠出機(jī)各段的溫度

2)納米纖維懸浮液的制備：

向納米纖維中加入乙醇并用高剪切分散機(jī)進(jìn)行剪切，控制納米纖維的含量為5g/L，剪切速度為3000r/min，剪切時(shí)間為100s，即制成納米纖維懸浮液；

3)彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備：

將納米纖維懸浮液置于冰浴磁力攪拌器中攪拌，并向納米纖維懸浮中加入0.01mol/L苯胺和0.03mol/L Fe(NO₃)₃，原位聚合反應(yīng)8h得到聚合液，反應(yīng)完畢，用有乙醇清洗聚合液3次，直到濾液澄清即得到彈性納米纖維導(dǎo)電墨水；苯胺的粒徑為8um。

實(shí)施例2制得的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水，包括原料為苯乙烯類熱塑性彈性體的納米纖維的含量為5g/L，聚苯胺的含量為0.01mol/L，納米纖維的直徑為800nm，納米纖維均勻地懸浮在乙醇中，聚苯胺均勻的鍍覆在納米纖維表面。該彈性納米纖維導(dǎo)電墨水成膜后的電導(dǎo)率為0.05743S/m，斷裂伸長(zhǎng)率45.32％，斷裂強(qiáng)度0.2132MPa。

實(shí)施例3

彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法：

1)納米纖維的制備：

稱取聚氨酯熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯，聚氨酯熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯的重量比為1：10，混合均勻后采用螺桿擠出機(jī)擠出并拉伸成彈性纖維，用丙酮浸泡彈性纖維以去除彈性纖維中的醋酸纖維素，即得到納米纖維；納米纖維的直徑為500nm；螺桿擠出機(jī)各段的溫度如表3所示：

表3雙螺桿擠出機(jī)各段的溫度

2)納米纖維懸浮液的制備：

向納米纖維中加入正己烷并用高剪切分散機(jī)進(jìn)行剪切，控制納米纖維的含量為25g/L，剪切速度為10000r/min，剪切時(shí)間為100s，即制成納米纖維懸浮液；

3)彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備：

將納米纖維懸浮液置于冰浴磁力攪拌器中攪拌，并向納米纖維懸浮中加入0.02mol/L噻吩和0.06mol/L Fe(NO₃)₃，原位聚合反應(yīng)12h得到聚合液，反應(yīng)完畢，用有正己烷清洗聚合液4次，直到濾液澄清即得到彈性納米纖維導(dǎo)電墨水。噻吩的粒徑為10um。

實(shí)施例3制得的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水，包括原料為聚氨酯熱塑性彈性體的納米纖維的含量為25g/L，聚噻吩的含量為0.02mol/L，納米纖維的直徑為500nm，納米纖維均勻地懸浮在正己烷中，聚噻吩均勻的鍍覆在納米纖維表面。該彈性納米纖維導(dǎo)電墨水成膜后電導(dǎo)率為0.001293S/m，斷裂伸長(zhǎng)率61.25％，斷裂強(qiáng)度0.3412MPa。

實(shí)施例4

彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備方法：

1)納米纖維的制備：

稱取聚酰胺熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯，聚酰胺熱塑性彈性體與醋酸纖維素酯的重量比為1：10，混合均勻后采用螺桿擠出機(jī)擠出并拉伸成彈性纖維，用丙酮浸泡彈性纖維以去除彈性纖維中的醋酸纖維素，即得到納米纖維；納米纖維的直徑為700nm；螺桿擠出機(jī)各段的溫度如表4所示：

表4雙螺桿擠出機(jī)各段的溫度

2)納米纖維懸浮液的制備：

向納米纖維中加入丙酮并用高剪切分散機(jī)進(jìn)行剪切，控制納米纖維的含量為20g/L，剪切速度為8000r/min，剪切時(shí)間為110s，即制成納米纖維懸浮液；

3)彈性納米纖維導(dǎo)電墨水的制備：

將納米纖維懸浮液置于冰浴磁力攪拌器中攪拌，并向納米纖維懸浮中加入0.01mol/L吡咯和0.03mol/L FeCl₃，原位聚合反應(yīng)10h得到聚合液，反應(yīng)完畢，用丙酮清洗聚合液3次，直到濾液澄清即得到彈性納米纖維導(dǎo)電墨水。吡咯的粒徑為1um。

實(shí)施例4制得的彈性納米纖維導(dǎo)電墨水，包括原料為聚酰胺熱塑性彈性體的納米纖維的含量為20g/L，聚吡咯的含量為0.01mol/L，納米纖維的直徑為700nm，納米纖維均勻地懸浮在丙酮中，聚吡咯均勻的鍍覆在納米纖維表面。該彈性納米纖維導(dǎo)電墨水成膜后電導(dǎo)率為0.0007607S/m，斷裂伸長(zhǎng)率70.36％，斷裂強(qiáng)度0.4574MPa。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。