專利名稱：一種壓敏導(dǎo)電膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓敏導(dǎo)電膜的制備方法，特別涉及利用模板法制備具有規(guī)整排列的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜，并在多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜的孔中填充導(dǎo)電顆粒，得到對壓力具有敏感作用的壓敏導(dǎo)電膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子器件逐漸向觸摸響應(yīng)、智能型、超薄化方向發(fā)展，對導(dǎo)電膜的需求也越來越高。傳統(tǒng)的導(dǎo)電膜材料主要有:金屬膜、金屬氧化物膜、高分子膜和復(fù)合膜等。目前研究的導(dǎo)電膜均是在基底上直接涂覆一層導(dǎo)電材料使其具有各向同性的平面導(dǎo)電效果，單一的導(dǎo)電效果已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足特殊電子器件只在一個方向?qū)崿F(xiàn)各向異性導(dǎo)電的需求。因此，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電膜在三維方向上的各向異性導(dǎo)電具有潛在的優(yōu)勢和價值。目前，對壓力敏感的材料廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中，特別是用于電子器件方面。例如平時用到的電子設(shè)備觸摸屏、壓力報警裝置等器件，相比其它響應(yīng)性的材料，對壓力敏感的材料具有操作簡單，控制精確等優(yōu)點(diǎn)。因此，將壓力敏感材料與導(dǎo)電材料相結(jié)合，在對其施加一定壓力的情況下，只在一個方向產(chǎn)生良好的導(dǎo)電效果，當(dāng)壓力去除后又可恢復(fù)至正常狀態(tài)。由此，這種將壓力敏感材料與導(dǎo)電材料相結(jié)合的材料具有對壓力敏感并能實(shí)現(xiàn)各向異性導(dǎo)電的良好效果，在實(shí)現(xiàn)電子器件的壓力響應(yīng)方面具有較大的優(yōu)勢。將對壓力具有敏感作用的高分子材料與導(dǎo)電納米顆粒進(jìn)行復(fù)合得到壓敏導(dǎo)電膜。壓敏導(dǎo)電膜在沒有施加外界壓力的情況下，壓敏導(dǎo)電膜中的孔隙中的導(dǎo)電顆粒之間不能充分接觸，因此不具有導(dǎo)電效果；通過對壓敏導(dǎo)電膜施加壓力，壓敏導(dǎo)電膜被擠壓后，孔隙中的導(dǎo)電顆粒之間充分接觸，從而可以表現(xiàn)出具有各向異性的導(dǎo)電效果。此外，壓敏導(dǎo)電膜的導(dǎo)電率隨壓力改變而改變，在壓敏傳感器、觸摸屏、電子開關(guān)等方面具有巨大的潛在應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備工藝簡單可控、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)的壓敏導(dǎo)電膜的制備方法。本發(fā)明選擇能夠制備出對壓力具有敏感作用的薄膜的高分子材料，通過構(gòu)筑模板制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜，然后在多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜的孔中填充導(dǎo)電顆粒，由此得到壓敏導(dǎo)電膜。本發(fā)明制備的壓敏導(dǎo)電膜兼有金屬膜所具有的高導(dǎo)電性和高分子膜所具有的柔韌性好、透明度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明制備的壓敏導(dǎo)電膜可實(shí)現(xiàn)在垂直方向上的各向異性導(dǎo)電，提高了導(dǎo)電效率。本發(fā)明的壓敏導(dǎo)電膜的制備方法為:將能夠制備出對壓力具有敏感作用的薄膜的高分子材料與溶劑混合得到高分子溶液，將得到的高分子溶液涂覆到表面具有規(guī)整排列的陣列結(jié)構(gòu)的模板上，固化，分離，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜；然后將由導(dǎo)電顆粒與溶劑混合得到的含有導(dǎo)電顆粒的懸浮液填充于上述得到的具有多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜的孔中，懸浮液中的溶劑揮發(fā)后即得到壓敏導(dǎo)電膜。
所述的高分子溶液中的高分子材料的質(zhì)量含量優(yōu)選為5% 50%。所述的高分子材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚體與固化該聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體的相應(yīng)的固化劑、聚氨基甲酸脂(PU)預(yù)聚體與固化該聚氨基甲酸脂預(yù)聚體的相應(yīng)的固化劑、聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEG)。所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚體與固化該聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體的固化劑的質(zhì)量比可為5:1 10:1。所述的聚氨基甲酸脂(PU)預(yù)聚體與固化該聚氨基甲酸脂預(yù)聚體的固化劑的質(zhì)量比可為5:1 10:1。所述的高分子溶液中的溶解聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚體及其固化劑的溶劑選自甲苯、二甲苯、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃、丙酮、丁酮中的一種或幾種；溶解聚氨基甲酸酯(PU)預(yù)聚體及其固化劑的溶劑選自甲苯、二甲苯、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃、丙酮、丁酮中的一種或幾種；溶解聚乙烯醇(PVA)的溶劑選自水、乙二醇、丙三醇、乙醇胺、甲酰胺中的一種或幾種；溶解聚乙二醇(PEG)的溶劑選自水、甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯、苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷中的一種或幾種。所述的懸浮液中的導(dǎo)電顆粒的質(zhì)量含量為0.1% 50%。所述的導(dǎo)電顆粒的粒徑范圍為2nm I μ m。所述的導(dǎo)電顆粒選自鉬、金、銀、銅的顆粒中的一種或幾種；或者選自以聚苯乙烯(PS)微球?yàn)楹?核外包覆鉬殼、金殼、銀殼或銅殼的核殼結(jié)構(gòu)的顆粒中的一種或幾種。所述的懸浮液中的溶劑選自水、乙醇、異丙醇中的一種或幾種。所述的陣列結(jié)構(gòu)為圓柱陣列或多面體柱陣列。所述的模板的材料為硅片、玻璃片或石英片。所述的孔的孔徑優(yōu)選為I μ m 20 μ m。本發(fā)明通過刻蝕硬質(zhì)基底后，在基底的表面得到具有規(guī)整排列的陣列結(jié)構(gòu)，以此表面具有規(guī)整排列的陣列結(jié)構(gòu)的基底為模板，利用高分子溶液復(fù)型的方法構(gòu)筑具有規(guī)整排列、孔徑尺寸精確定位、壓力敏感的壓敏彈性薄膜，并將該壓敏彈性薄膜與導(dǎo)電顆粒相結(jié)合，制備出對壓力具有敏感效果的壓敏導(dǎo)電膜。本發(fā)明制備出的壓敏導(dǎo)電膜在對其施加一定的壓力時，孔隙中的導(dǎo)電顆粒被擠壓出并充分接觸，從而可以表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電效果，而一旦壓力去除后，孔隙中的導(dǎo)電顆粒又回到孔隙中，導(dǎo)致導(dǎo)電顆粒之間不接觸，從而失去導(dǎo)電效果。本發(fā)明將能夠制備出對壓力具有敏感作用的薄膜的高分子材料與導(dǎo)電顆粒結(jié)合制備壓敏導(dǎo)電膜，與傳統(tǒng)的導(dǎo)電膜相比，本發(fā)明得到的壓敏導(dǎo)電膜具有導(dǎo)電性高、柔韌性好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的壓敏導(dǎo)電膜的制備方法簡單快捷，可控性強(qiáng)，制備成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明制備出的壓敏導(dǎo)電膜不同于常用的導(dǎo)電膜，制備出的壓敏導(dǎo)電膜能夠?qū)崿F(xiàn)在垂直方向上施加壓力后實(shí)現(xiàn)各向異性導(dǎo)電效果的性質(zhì)，而且材料的導(dǎo)電性會隨壓力改變而改變。制備出的壓敏導(dǎo)電膜中的高分子材料對壓力響應(yīng)，使得壓敏導(dǎo)電膜的導(dǎo)電性具有對壓力敏感的效果，可用于對壓力敏感的各向異性導(dǎo)電材料方面，在壓敏傳感器、觸摸屏、電子開關(guān)、以及一些可連接的電子器件方面具有巨大的潛在應(yīng)用。


圖1.本發(fā)明實(shí)施例1中的表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的硅片的示意圖。圖2.本發(fā)明實(shí)施例1中的基于表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的模板制備得到的壓敏彈性PDMS薄膜的示意圖。圖3.本發(fā)明實(shí)施例1中的導(dǎo)電銀顆粒的電鏡照片。圖4.本發(fā)明實(shí)施例2中的導(dǎo)電金顆粒的電鏡照片。圖5.本發(fā)明所制備的壓敏導(dǎo)電膜的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。實(shí)施例1選取硅片，采用常規(guī)刻蝕的方法在硅片的表面刻蝕出直徑為I Pm、高度為20iim的微米級的規(guī)整排列的圓柱陣列(如圖1所示);將聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚體與固化該聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體的固化劑(所用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化該預(yù)聚體的固化劑為美國道康寧公司SYLGARD184硅橡膠產(chǎn)品)按照PDMS預(yù)聚體:固化劑的質(zhì)量比為10:1進(jìn)行混合，將PDMS預(yù)聚體與固化劑混合后得到的混合物與甲苯按照質(zhì)量比為1:1進(jìn)行混合得到質(zhì)量濃度為50%的混合溶液，將得到的混合溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的硅片上，然后將硅片放入溫度為120°C的烘箱中進(jìn)行固化2小時；將固化好的PDMS薄膜與硅片分離，即可得到具有孔徑為Iiim的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性PDMS薄膜(如圖2所示)。將由粒徑約為50nm的導(dǎo)電銀顆粒(電鏡照片如圖3所示)與水配制得到的導(dǎo)電銀顆粒的質(zhì)量含量為5%的懸浮液填充于制備好的具有孔徑為I U m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性PDMS薄膜的孔中，待懸浮液中的水揮發(fā)后，導(dǎo)電銀顆粒進(jìn)入到具有孔徑為I U m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性PDMS薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電PDMS膜(如圖5所示)。實(shí)施例2選取玻璃片，采用常規(guī)刻蝕的方法在玻璃片的表面刻蝕出直徑為5 iim、高度為20 Pm的微米級的規(guī)整排列的圓柱陣列；將聚乙二醇(PEG)溶于乙醇中配制出質(zhì)量含量為5%的聚乙二醇溶液，將得到的聚乙二醇溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的玻璃片上，然后將玻璃片放入溫度為80°C的烘箱中進(jìn)行固化3小時；將固化好的聚乙二醇薄膜與玻璃片分離，即可得到具有孔徑為5 u m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙二醇薄膜。將由粒徑約為IOnm的導(dǎo)電金顆粒(電鏡照片如圖4所示)與異丙醇配制得到的導(dǎo)電金顆粒的質(zhì)量含量為10%的懸浮液填充于制備好的具有孔徑為5 u m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙二醇薄膜的孔中，待懸浮液中的異丙醇揮發(fā)后，導(dǎo)電金顆粒進(jìn)入到具有孔徑為5pm的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙二醇薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電聚乙二醇膜。實(shí)施例3選取石英片，采用常規(guī)刻蝕的方法在石英片的表面刻蝕出直徑為20iim、高度為20 iim的微米級的規(guī)整排列的圓柱陣列；將聚乙烯醇(PVA)溶于乙二醇中配制出質(zhì)量含量為50%的聚乙烯醇溶液，將得到的聚乙烯醇溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的石英片上，然后將石英片放入溫度為80°C的烘箱中進(jìn)行固化I小時；將固化好的聚乙烯醇薄膜與石英片分離，即可得到具有孔徑為20 y m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙烯醇薄膜。將由粒徑約為I U m的導(dǎo)電銅顆粒與乙醇配制得到的導(dǎo)電銅顆粒的質(zhì)量含量為50%的懸浮液填充于制備好的具有孔徑為20μπι的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙烯醇薄膜的孔中，待懸浮液中的乙醇揮發(fā)后，導(dǎo)電銅顆粒進(jìn)入到具有孔徑為20 μ m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙烯醇薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電聚乙烯醇膜。實(shí)施例4選取硅片，采用常規(guī)刻蝕的方法在硅片的表面刻蝕出直徑為I μ m、高度為20 μ m的微米級的規(guī)整排列的圓柱陣列；將聚氨基甲酸酯預(yù)聚體與固化該聚氨基甲酸酯預(yù)聚體的固化劑(固化劑為商品Bayhydur305)按照聚氨基甲酸酯預(yù)聚體:固化劑的質(zhì)量比為20:1進(jìn)行混合，將聚氨基甲酸酯預(yù)聚體與固化劑混合后得到的混合物溶于二甲苯中制備得到質(zhì)量濃度為5%的混合溶液，將得到的混合溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的硅片上，然后將硅片放入溫度為100°C的烘箱中進(jìn)行固化2小時；將固化好的聚氨基甲酸酯薄膜與硅片分離，即可得到具有孔徑為I μπι的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚氨基甲酸酯薄膜。將由粒徑約為5nm的導(dǎo)電銀顆粒與水配制得到的導(dǎo)電銀顆粒的質(zhì)量含量為0.1%的懸浮液填充于制備好的具有孔徑為Iym的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚氨基甲酸酯薄膜的孔中，待懸浮液中的水揮發(fā)后，導(dǎo)電銀顆粒進(jìn)入到具有孔徑為I μ m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚氨基甲酸酯薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電聚氨基甲酸酯膜。實(shí)施例5選取玻璃片，采用常規(guī)刻蝕的方法在玻璃片的表面刻蝕出對角線長為8 μπι、高度為20 μπι的微米級的規(guī)整排列的正六棱柱陣列；將聚乙二醇(PEG)溶于二氯甲烷中配制出質(zhì)量含量為5%的聚乙二醇溶液，將得到的聚乙二醇溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的正六棱柱陣列的玻璃片上，然后將玻璃片放入溫度為80°C的烘箱中進(jìn)行固化3小時；將固化好的聚乙二醇薄膜與玻璃片分離，即可得到具有對角線長為8 μ m的正六邊形孔的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙二醇薄膜。將由粒徑約為2nm的導(dǎo)電銀顆粒與水配制得到的導(dǎo)電銀顆粒的質(zhì)量含量為10%的懸浮液填充于制備好的具有對角線長為8 μ m的正六邊形孔的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙二醇薄膜的孔中，待懸浮液中的水揮發(fā)后，導(dǎo)電銀顆粒進(jìn)入到具有對角線長為8μπι的正六邊形孔的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙二醇薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電聚乙二醇膜。實(shí)施例6選取石英片，采用常規(guī)刻蝕的方法在石英片的表面刻蝕出直徑為20μπκ高度為20 μ m的微米級的規(guī)整排列的圓柱陣列；將聚乙烯醇(PVA)溶于水中配制出質(zhì)量含量為50%的聚乙烯醇溶液，將得到的聚乙烯醇溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的石英片上，然后將石英片放入溫度為80°C的烘箱中進(jìn)行固化I小時；將固化好的聚乙烯醇薄膜與石英片分離，即可得到具有孔徑為20 μπι的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙烯醇薄膜。將由粒徑約為300nm的以PS微球?yàn)楹?，核外包覆銀殼的核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電顆粒與異丙醇配制得到的所述的導(dǎo)電顆粒的質(zhì)量含量為50%的懸浮液填充于制備好的具有孔徑為20 μ m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙烯醇薄膜的孔中，待懸浮液中的異丙醇揮發(fā)后，所述的導(dǎo)電顆粒進(jìn)入到具有孔徑為20 μ m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性聚乙烯醇薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電聚乙烯醇膜實(shí)施例7選取硅片，采用常規(guī)刻蝕的方法在硅片的表面刻蝕出直徑為I μπι、高度為20 μ m的微米級的規(guī)整排列的圓柱陣列；將聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚體與固化該聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體的固化劑(所用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化該預(yù)聚體的固化劑為美國道康寧公司SYLGARD184硅橡膠產(chǎn)品)按照PDMS預(yù)聚體:固化劑的質(zhì)量比為5:1進(jìn)行混合，將PDMS預(yù)聚體與固化劑混合后得到的混合物與N，N- 二甲基甲酰胺按照質(zhì)量比為1:4進(jìn)行混合得到質(zhì)量濃度為20%的混合溶液，將得到的混合溶液滴涂到表面具有規(guī)整排列的圓柱陣列的硅片上，然后將硅片放入溫度為120°C的烘箱中進(jìn)行固化2小時；將固化好的PDMS薄膜與硅片分離，即可得到具有孔徑為I U m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性PDMS薄膜。將由粒徑約為50nm的導(dǎo)電金顆粒與乙醇配制得到的導(dǎo)電銀顆粒的質(zhì)量含量為10%的懸浮液填充于制備好的具有孔徑為I U m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性PDMS薄膜的孔中，待懸浮液中的乙醇揮發(fā)后，導(dǎo)電銀顆粒進(jìn)入到具有孔徑為I U m的多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性PDMS薄膜的孔中，即得到壓敏導(dǎo)電TOMS 膜。
權(quán)利要求
1.一種壓敏導(dǎo)電膜的制備方法，其特征是:將由高分子材料與溶劑混合得到的高分子溶液涂覆到表面具有規(guī)整排列的陣列結(jié)構(gòu)的模板上，固化，分離，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜；然后將由導(dǎo)電顆粒與溶劑混合得到的含有導(dǎo)電顆粒的懸浮液填充于上述得到的具有多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜的孔中，懸浮液中的溶劑揮發(fā)后得到壓敏導(dǎo)電膜； 所述的高分子材料為聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑、聚氨基甲酸脂預(yù)聚體與固化齊U、聚乙烯醇或聚乙二醇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:所述的高分子溶液中的高分子材料的質(zhì)量含量為5% 50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征是:所述的高分子溶液中的溶劑選自水、醋酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、四氫呋喃、丙酮、丁酮、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、乙醇胺、甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:所述的懸浮液中的導(dǎo)電顆粒的質(zhì)量含量為0.1% 50%ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其特征是:所述的懸浮液中的溶劑選自水、乙醇、異丙醇中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其特征是:所述的導(dǎo)電顆粒的粒徑為2nm Iμ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征是:所述的導(dǎo)電顆粒選自鉬、金、銀、銅的顆粒中的一種或幾種；或者選自以聚苯乙烯微球?yàn)楹?，核外包覆鉬殼、金殼、銀殼或銅殼的核殼結(jié)構(gòu)的顆粒中的一種或幾種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:所述的陣列結(jié)構(gòu)為圓柱陣列或多面體柱陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:所述的模板的材料為硅片、玻璃片或石英片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:所述的孔的孔徑為Iμ m 20 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓敏導(dǎo)電膜的制備方法。本發(fā)明通過刻蝕硬質(zhì)基底后，在基底的表面得到具有規(guī)整排列的陣列結(jié)構(gòu)，以此表面具有規(guī)整排列的陣列結(jié)構(gòu)的基底為模板，選擇能夠制備出對壓力具有敏感作用的薄膜的高分子材料，通過構(gòu)筑模板制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜，然后在多孔結(jié)構(gòu)的壓敏彈性薄膜的孔中填充導(dǎo)電顆粒，由此得到壓敏導(dǎo)電膜。本發(fā)明制備的壓敏導(dǎo)電膜兼有金屬膜所具有的高導(dǎo)電性和高分子膜所具有的柔韌性好、透明度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明制備的壓敏導(dǎo)電膜可實(shí)現(xiàn)在垂直方向上的各向異性導(dǎo)電，提高了導(dǎo)電效率。本發(fā)明的制備方法簡單快捷，可控性強(qiáng)，制備成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號H01B13/00GK103151113SQ20131003779
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者張聰, 張興業(yè), 聶宜文, 宋延林 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所