[发明专利]具有三维导电网络的橡胶/低熔点合金/纳米碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了具有三维导电网络的橡胶/低熔点合金/纳米碳复合材料及其制备方法。以质量百分比计，其原料组成为橡胶60～85％、补强剂5～15％、硫化剂0.5～5％、纳米碳材料1～5％、低熔点合金5～20％。制备时先将橡胶、补强剂、低熔点合金、纳米碳材料和硫化剂在橡胶开炼机中进行混合，在高于低熔点合金熔点的压合温度下压合，使低熔点合金纤维化并发生取向，将制得的薄胶片沿着合金纤维的取向方向裁剪，上下堆叠，低压硫化。本发明在无需大量添加导电填料的情况下，仅仅通过压合取向和重新堆叠构建橡胶/低熔点合金/纳米碳复合材料的三维导电网络，在较大范围内可调控复合材料的导电性能，大大降低了导电的逾渗阈值。

技术领域

本发明涉及一种橡胶复合材料，更具体地说是涉及一种具有三维导电网络的橡胶/低熔点合金/纳米碳复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，基于弹性体的可穿戴电子设备、电子皮肤、柔性传感器、超级电容器、电磁屏蔽材料发展迅猛，使导电橡胶复合材料逐渐成为国内外的研究热点。然而，大部分橡胶是绝缘材料，其体积电阻率通常大于10¹²Ω·cm。因此，必须对橡胶进行配方设计和填充改性，才能够提高橡胶复合材料的导电性能。

目前，改善橡胶导电性的方法主要是往橡胶基体中添加各种导电填料，如导电炭黑、碳纤维、碳纳米管以及各种金属粉体(如银粉、铜粉)等，添加的方法主要是通过开炼机或密炼机使橡胶与导电填料混合。这种简单共混工艺常导致填料在基体中的无规分散，且分散很不均匀，团聚比较严重，造成导电填料需要较大用量才能达到导电的临界阈值。因此，如何提高导电填料在基体中的分散，构建优化的三维导电网络，降低导电的临界阈值，成为众多研究者不断追求的研究目标。

例如，中国发明专利申请201710723740.1公开了高温循环拉伸力致导电性能增强的硅橡胶复合材料及其制备方法，以质量百分比计，其原料组成为：硅橡胶生胶40～90％，补强剂5～40％，结构控制剂1～5％，低熔点合金0.5～10％，表面改性剂0.5～5％，交联剂1～4％。低熔点合金在进行表面改性后，与硅橡胶生胶、补强剂、结构控制剂、交联剂共混、硫化后，制得硅橡胶复合材料；对硅橡胶复合材料高温循环拉伸，温度100～250℃、伸长率100～300％、拉伸速率50～200mm·min^-1、拉伸次数10～1000次。本发明无需增加导电填料的用量，仅仅通过高温循环拉伸的方式可在较大范围内调整增强硅橡胶复合材料的导电性能，对其力学性能和透明性影响很小。虽然该技术实现了低熔点合金的取向，但是由于只能沿着拉伸方向取向，而垂直于拉伸方向取向无法形成，因而在橡胶基体中无法构成三维导电通路，无法达到更低的电阻率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在橡胶基体中构成三维导电通路的橡胶/低熔点合金/纳米碳复合材料及其制备方法，该方法在较大范围内可调控复合材料的导电性能，其体积电阻率范围为10²～10⁷Ω·cm。

本发明首先将橡胶与低熔点合金和纳米碳材料混合，制备橡胶/低熔点合金/纳米碳材料共混物，然后通过压合方式将复合材料压成圆形薄片，使低熔点合金沿着圆形薄片的半径方向发生取向，沿着低熔点合金的取向方向在圆形薄片上裁切出直径为50～500mm的圆形薄片或边长为50～500mm的正方形薄片，然后将薄片进行上下堆叠，使得相邻两片的取向方向按一定角度交叉排列，同时利用纳米碳材料在基体中的无规分散，实现纳米碳材料与取向的低熔点合金纤维的三维搭接，构建三维导电网络通路，根据导电网络的疏密程度，使复合材料的导电性能在较宽范围内可调，此外，可充分利用碳纳米管和低熔点合金的协同效应，明显改善复合材料的导电性能。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

的具有三维导电网络的橡胶/低熔点合金/纳米碳复合材料：以质量百分比计，其原料组成为：橡胶60～85％、补强剂5～15％、硫化剂0.5～5％、纳米碳材料1～5％、低熔点合金5～20％；