[发明专利]一种导电纳米纤维及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电纳米纤维及其制备方法与应用，属于电子材料、 功能材料以及纳米材料技术领域。

背景技术

导电纳米纤维在抗静电、新能源、生物、传感器、太阳能电池、柔性 电子、可穿戴电子等方面具有广泛的应用前景。

制备一维纳米结构的方法有很多，例如模板法、自组装、界面聚合 等。而静电纺丝技术是这些方法中使用最多和应用最广。静电纺丝是一种 利用高压电场将溶液或熔体制备成纳米纤维的加工方法。电纺丝制备的纤 维直径在几纳米到几微米之间。与其他合成和制造一维纳米结构材料的加 工方法相比，电纺丝技术具有设备简单、过程简单、有效、广泛的适用性 和低廉的成本等诸多优点。目前静电纺丝已成为制备超长、超细、具有均 一直径的实心或空心纤维最简单和最实用的方法之一。目前，利用高压静 电纺丝技术不仅可以实现多种材料(聚合物、无机物、聚合物/聚合物复合 材料、聚合物/无机复合材料等)一维纳米结构的构筑，而且可以实现纳米 结构的尺寸、形貌可控。静电纺丝纳米纤维具有比表面积大、直径小等优 点，在柔性电子器件、过滤防护、新能源、食品工程等领域都具有巨大的 应用潜力。

目前通过静电纺丝技术制备导电纳米纤维多数是聚合物，导电聚合物 具有很好的柔性和较轻的重量等优点，其中具有代表性的是聚苯胺、聚 3,4-乙烯基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸。但由于纯的聚苯胺通过静电纺丝获 得状态稳定且连续的纤维较为困难，所制备的纳米纤维脆性较大，严重限 制其应用。此外，导电聚合物的耐候性差、电导率相对较低，也限制了其 广泛应用。所以人们要通过共混来改善其可纺性，如与聚环氧乙烷、聚乙 烯醇等共混。人们也通过掺杂碳纳米管等来提高其导电率。另一种制备导 电纳米纤维的方法是利用金属材料。

例如，现有技术CN103752848A公开了一种纳米银线的制备方法，包 括如下步骤：1)将水溶性高分子聚合物溶解于银盐溶液后，向溶液中加 入添加剂，制得纺丝液；2)将所述纺丝液进行静电纺丝，制得纳米纤 维；3)将所述纳米纤维还原成纳米银线；其中，所述添加剂包括钛酸丁 酯和乙酰丙酮，并且所述添加剂中钛酸丁酯与乙酰丙酮的体积比为1： 0.5～5。

另外，CN103031610A公开了一种制备单根超长Cu纳米线、并在其 两端简单有效地制备电极用于测量其电学性能的方法。该方法主要包括以 下步骤：(1)单根超长Cu(NO₃)₂/PVA前驱纳米纤维的制备。首先配置一 定浓度的Cu(NO₃)₂/PVA溶液，然后将溶液装入静电纺丝设备中的注射 器，随后在针头和铝箔收集板之间加上高压电纺。

目前已成功制备了银纳米线和铜纳米线，但银纳米线是通过还原静电 纺丝纳米纤维制备，成分是纯银，需要离心分离等过程，所得材料长径比 低。铜纳米线的制备过程需要经过较高的温度处理，难以直接适用于柔性 基材，而且铜纳米纤维易被氧化，使导电能力大幅度下降。本发明专利借 鉴导电胶的体系和导电原理，采用静电纺丝方法，在较低热处理温度条件 下，成功制备金属/树脂基体复合导电纳米纤维。得到的纳米纤维膜的电导 率可以达10³S/cm以上，稳定性好，力学性能优异。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是设计一种新型的导电纳米 纤维及其制备方法。所得的纳米纤维直径粗细可调、高的电导率。提供的 制备方法成本低廉、工艺简单、重复性好、热处理温度低(<400℃)，具 有良好的工业化前景。

本发明通过以下技术措施来实现本发明第一目的：一种新型的导电纳 米纤维制备方法，导电纳米纤维的成分含有金属、树脂基体，树脂基体包 括树脂、固化剂和助剂等，其中金属是银和铜中的一种或两种或其合金， 采用静电纺丝技术制备导电纳米纤维。

上述选择既充分考虑产业化的要求，也考虑稳定性及毒性等方面的要 求，银和铜是安全的金属，没什么毒性，再者，银和铜的导电性非常优 秀。银的价格稍高，但稳定性好，铜价格便宜，而稳定性相对较差，适合 于不同的应用场合。