共轭高分子纳米颗粒掺杂银/树脂导电复合材料制备及性能

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:maxyz
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银/树脂基导电复合材料是一种极具发展潜力的封装材料,但目前产品化主要技术瓶颈在于导电复合材料导电性能和力学性能依旧存在不足。因此探究简单有效且能同时提升导电复合材料导电性能和力学性能的方法迫在眉睫。本论文提出了使用共轭高分子掺杂导电复合材料以提高其综合性能的方法。首先使用氧化聚合与分散聚合方法制备出高导电、高分散性和形貌可控的共轭高分子纳米颗粒,共轭高分子微量掺杂可数十倍提高导电复合材料导电性能的新现象;同时发现共轭高分子增强柔性导电复合材料拥有更好的变形稳定性和可耐受更多次的变形,解决了导电复合材料导电性能和力学性能难于同时提升的技术矛盾;阐述了共轭高分子与导电银粉之间通过静电力相互作用诱导微观结构改变进而提升导电复合材料导电性能及变形稳定性的机理;最后,验证了共轭高分子掺杂导电复合材料在导电胶(Electrical conductive adhesives,ECAs)、柔性印刷电路、柔性传感器和柔性印制射频识别(Radio frequency identification,RFID)天线中的应用潜力。首先,在室温条件下氧化聚合苯胺、吡咯单体,同时采用质子酸对其原位掺杂高效地制备了高导电聚苯胺(Polyaniline,PANI)和聚吡咯(Polypyrrole,PPy)纳米颗粒。采用分散聚合方法,调节聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl pyrrolidone,PVP)、十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate,SDS)等表面活性剂用量及分子链长对其形貌进行控制,并优化反应体系水醇比至20%:80%,以提高PANI和PPy材料的分散性。制备了平均直径分别降低至60.6nm±8.7nm和86.8nm±11.8nm的高分散性PANI枝状纳米颗粒和PPy纳米球,有效地解决了共轭高分子掺杂后导电浆料难以印刷的问题。与此同时,使用多元醇法、球磨法等方法制备了包括银纳米颗粒、银纳米线、片状银粉、银树枝晶在内的多种形貌的银导电填料,导电填料形貌直接影响导电复合材料的导电性能及印刷性能,65wt%填充量片状银粉基导电复合材料的电阻率可低至959.7×10-5Ω·cm,且兼顾了印刷性能。其次,三种共轭高分子材料(PANI、PPy、PEDOT:PSS)加入0.5wt%即可以对导电胶导电性能起到明显的提升效果。其中,PANI、PPy和PEDOT:PSS可最多分别提高导电胶导电性能11.8倍、13.0倍和7.6倍,导电胶的最小电阻率为9.3×10-5Ω·cm,并且证明了该方法同时适用于对多种环氧基导电胶导电性能的改进,具有较好普适性。掺杂后导电胶力学性能优异,剪切强度可达11.1MPa±0.4MPa,并且具有很好的热稳定性和湿热稳定性,甚至在老化过程中导电性能得到了优化。通过微观组织结构表征,进一步阐述了共轭高分子增强导电胶导电性能机制,高导电共轭高分子纳米颗粒的加入能够增加电子隧穿面积,提高了导电复合材料导电性能。随后对共轭高分子掺杂的柔性导电复合材料的导电性能、变形稳定性以及耐受变形次数等问题进行了研究。PANI掺杂也可明显提升柔性导电复合材料的导电性能,仅掺杂0.5wt%的PANI纳米颗粒可使柔性导电复合材料的电阻率从1253.1×10-5Ω·cm下降至37.1×10-5Ω·cm。对于银填充量为60wt%的柔性导电复合材料而言,导电性能可提升33.7倍,最小电阻率可降低至7.7×10-5Ω·cm。同时,PANI掺杂可使柔性导电复合材料在弯曲、扭转和拉伸等变形过程中保持更优异的稳定性且可耐受更多次数的变形。弯曲试验中,材料电阻波动从92%下降至2.3%,弯曲变形失效次数提升至2500次以上,拉伸试验中拉伸变形失效次数从700次提升至3500次以上。同时该材料还具有高的热稳定性。揭示了共轭高分子纳米颗粒掺杂同时提升导电性能和变形稳定性的机理。共轭高分子纳米颗粒与片状银粉之间的静电力诱发片状银粉分布由平铺状态变为交织状态,降低了导电填料间的隧穿电阻和柔性导电复合材料的杨氏模量,使其导电性能和变形稳定性同时提升。最后,验证了共轭高分子纳米颗粒增强柔性导电复合材料在高性能柔性印刷电路、柔性传感器以及印制柔性射频识别天线等领域中应用的潜力。使用共轭高分子掺杂柔性导电复合材料制备了具有更好的变形回复特性的柔性传感器,回复电阻相对标准偏差低至2.9%,可对人体多种运动进行实时监测;使用共轭高分子掺杂柔性导电复合材料印制RFID天线,经过2000次正向弯曲后读写距离几乎无下降,具有更好的变形稳定性;柔性印制电路与PET、PI等多种难润湿基板粘附力强,兼容高效SMT印刷工艺。表明了共轭高分子纳米颗粒增强导电复合在柔性电子领域的广阔应用前景。
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